DE19801775A1

DE19801775A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Messen von Temperaturen

Info

Publication number: DE19801775A1
Application number: DE19801775A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr Berthold
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1998-01-19
Filing date: 1998-01-19
Publication date: 1999-07-29

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Temperaturen.

In einigen modernen Techniken werden Temperaturen weit über 2000°C erreicht. Dabei kann es sich um eine gewollte Erzeu gung hoher Temperaturen handeln, wie etwa bei der Herstellung oder Bearbeitung besonderer Werkstoffe, beispielsweise ZrO₂, BN, SiC oder HfN. Es kann aber auch ungewollt zu derartig ho hen Temperaturen kommen, zum Beispiel bei Störfällen in Kern reaktoren.

Temperaturen bis 2000°C können mit herkömmlichen Thermoele menten einfach und zuverlässig gemessen werden. Darüber lie gende Temperaturen lassen sich mit Pyrometern messen, sofern ein optischer Kontakt zum Meßpunkt hergestellt werden kann. Dies ist jedoch nicht immer möglich. So kann etwa bei Kri stallzüchtungen die Schmelze, die für ZrO₂ beispielsweise ei ne Temperatur von etwa 2715°C aufweist, rundum von einer Kru ste umgeben sein. Deshalb ist in einem solchen Fall die Ver wendung von Pyrometern nicht möglich. Auch die Temperaturen bei einem schmelzenden Reaktorkern (beispielsweise liegt der Schmelzpunkt von UO₂ bei 2500°C) lassen sich über ein Pyrome ter nicht bestimmen, da der Reaktorkern zumindest in der An fangsphase noch von einem Sicherheitsbehälter umgeben ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Messen von Temperatu ren bereitzustellen, bei der/dem die genannten Nachteile ver mieden werden. Insbesondere soll eine Messung von hohen Tem peraturen ermöglicht werden, ohne daß ein optischer Kontakt zum Meßpunkt erforderlich ist.

Die Aufgabe wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung durch eine Vorrichtung zum Messen von Temperaturen gelöst, mit einem Mantelgehäuse und wenigstens zwei Thermoelementen, die beabstandet voneinander sowie von der Spitze des Mantel gehäuses innerhalb des Mantelgehäuses angeordnet sind.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist bei Temperaturen von mehr als 2000°C und insbesondere bis etwa 2800°C einsetzbar. Weiterhin kann die Vorrichtung wie die herkömmlichen Ein zelthermometer auch an Stellen eingesetzt werden, die unzu gänglich oder verdeckt sind. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist im Vergleich zu Pyrometern kleiner in ihrer Ausgestal tung, kostengünstiger herstellbar und wesentlich weniger störanfällig.

Vorzugsweise werden Thermoelemente verwendet, die bereits bis zu möglichst hohen Temperaturen einsetzbar sind. Allerdings ist es nicht notwendig, daß die Thermoelemente selbst unter den zu messenden Temperaturen stabil sind. Die Thermoelemente sind nämlich erfindungsgemäß von einem Mantelgehäuse umgeben, daß unter den Einsatzbedingungen stabil ist. Das Mantelgehäu se dient dazu, die Thermoelemente vor zu hohen Temperaturen zu schützen und einen gleichmäßigen Temperaturgradienten vom Meßpunkt über die Anordnung der Thermoelemente zu gewährlei sten. Um dies zu erreichen, ist das Mantelgehäuse vorzugswei se rotationssymmetrisch und im übrigen an die Einsatzbedin gungen angepaßt ausgebildet. Allerdings sind auch andere Aus gestaltungen des Mantelgehäuses denkbar.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung ergeben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen.

Bevorzugt sind drei Thermoelemente im Mantelgehäuse angeord net. Jedoch ist die Anzahl der Thermoelemente grundsätzlich beliebig, so daß auch mehr als drei Thermoelemente möglich sind.

Erfindungsgemäß können die Thermoelemente in einer Reihe hin tereinander angeordnet sein. Dadurch wird die Einstellung ei nes homogenen Temperaturgradienten in der Vorrichtung weiter verbessert.

In weiterer Ausgestaltung sind die Spitzen der Thermoelemente in der Achse des Mantelgehäuses ausgerichtet.

Vorteilhaft sind die Thermoelemente jeweils als Thermopaar mit zwei Thermoelementbestandteilen ausgebildet. Vorzugsweise sind die Thermoelementbestandteile voneinander getrennt im Thermoelement ausgebildet. In besonderer Ausgestaltung beste hen die Thermoelemente, beziehungsweise die Thermoelementbe standteile aus Drähten, vorzugsweise aus dünnen Drähten. Da durch wird die Homogenität des Temperaturgradienten weiter verbessert.

In weiterer Ausgestaltung sind die Thermoelemente aus einer Pt/PtRh-Legierung (Platin/Platin-Rhodium) oder aus einer W/Re-Legierung (Wolfram/Rhenium) gebildet.

Das Mantelgehäuse kann erfindungsgemäß einteilig ausgebildet sein. Hierbei kann das Mantelgehäuse aus einem einzigen Mate rial bestehen, beispielsweise aus einem Keramikstab mit ent sprechenden Bohrungen für die Thermoelemente.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Mantelgehäuse aber auch mehrschalig ausgebildet sein. So ist beispielsweise eine Hülle aus Wolfram denkbar, die mit einer temperaturbe ständigen, schlecht wärmeleitenden Masse (zum Beispiel ZrO₂) gefüllt ist.

Vorteilhaft ist das Mantelgehäuse aus einem Material mit schlechter Wärmeleitung gebildet. Erfindungsgemäß kann das Mantelgehäuse aus Keramik und/oder Metall und/oder Kohlen stoff gebildet sein. Beispielsweise - jedoch nicht ausschließ lich - sind Keramiken aus ZrO₂ oder HfO₂ denkbar. Geeignet sind aber auch Metalle und Kohlenstoff in einer Ausbildung, die die Wärmeleitung herabsetzt. Solche Ausbildungen sind beispielsweise Filze oder hochporöse Körper.

In weiterer Ausgestaltung können die Thermoelemente unterein ander, sowie das der Spitze des Mantelgehäuses am nächsten liegende Thermoelement zur Spitze des Mantelgehäuses jeweils den gleichen Abstand aufweisen. Der Abstand zwischen dem vor dersten Thermoelement und der Spitze des Mantelgehäuses ist vorteilhaft der kürzeste Abstand, der zwischen diesem Thermo element und einem Ort mit der zu messenden Temperatur möglich ist. Der Abstand ist vorzugsweise so bemessen, daß bei maxi mal er Einsatztemperatur der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Temperatur an der Spitze des vordersten Thermoelements die maximale Einsatztemperatur dieses Thermoelements nicht über schreitet. Im übrigen richten sich die günstigsten Abstände nach den jeweiligen Einsatzbedingungen, vor allem nach dem Material des Mantelgehäuses und der Einsatztemperatur.

Erfindungsgemäß kann der seitliche Abstand der Thermoelemente zur Oberfläche des Mantelgehäuses größer oder gleich dem Ab stand zwischen den Thermoelementen sein. Dies ist beispiels weise aus Gründen einer homogenen Temperaturverteilung vor teilhaft. Durch eine solche Ausgestaltung kann die erfin dungsgemäße Vorrichtung auch in einer Umgebung mit stark un terschiedlicher Wärmeleitung verwendet werden. Bei einer Um gebung mit in etwa vergleichbarer Wärmeleitfähigkeit kann der Abstand entsprechend kleiner gewählt werden.

Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Messen von Temperaturen bereitgestellt, daß durch folgen de Schritte gekennzeichnet ist: a) Messen von Temperaturwer ten mit einer vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Vor richtung; und b) Berechnen der Temperaturen in einer Auswer teeinheit.

Durch ein solches Verfahren können auf einfache und genaue Weise Temperaturen von mehr als 2000°C auch an solchen Orten gemessen werden, die unzugänglich oder verdeckt sind. Zu den Wirkungen, Funktionen, Vorteilen und Effekten des Verfahrens wird auf die vorstehenden Ausführungen zur erfindungsgemäßen Vorrichtung vollinhaltlich Bezug genommen und hiermit verwie sen.

Bevorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens ergeben sich aus den rückbezogenen Unteransprüchen.

Unter Einsatzbedingungen ist die Temperatur an der Spitze der erfindungsgemäßen Vorrichtung (Spitze des Mantelgehäuses) am höchsten und an der dazu gegenüberliegenden Seite am gering sten. Dadurch bildet sich entlang der Achse, in der die Ther moelemente angeordnet sind, ein Temperaturgradient aus, so daß die Thermoelemente immer niedrigere Temperaturen messen, je weiter sie von der Spitze des Mantelgehäuses entfernt sind. Aus der beobachteten Temperaturdifferenz zwischen den einzelnen Thermoelementen läßt sich über die Auswerteeinheit die Temperatur an der Spitze des Metallgehäuses berechnen. Vorteilhaft sind die einzelnen Thermoelemente dazu über Lei tungen mit der Auswerteeinheit verbunden.

In bevorzugter Ausgestaltung gilt für die Berechnung der Tem peratur an der Spitze des Mantelgehäuses:

TMS = T1 + (T1-T2) (1),

mit TMS gleich der Temperatur an der Spitze des Mantelgehäu ses, T1 gleich der Temperatur des der Spitze des Mantelgehäu ses am nächsten liegenden Thermoelements und T2 gleich der Temperatur des diesem Thermoelement benachbart angeordneten Thermoelements.

Diese einfache Beziehung kann mit einer elektronischen Schal tung hergestellt werden, so daß die Temperaturen mit einem kalibrierten Spannungsmeßinstrument auch direkt abgelesen werden können.

Vorteilhaft gilt die Gleichung (1) unter der Bedingung, daß für die Berechnung der an der Spitze des Mantelgehäuses herr schenden Temperatur weiterhin gilt:

T1-T2 = T2-T3 (2),

mit T1 bis T3 gleich den mit den einzelnen Thermoelementen gemessenen Temperaturen.

Das heißt, daß entlang der Achse der erfindungsgemäßen Vor richtung, auf der die Spitzen der einzelnen Thermoelemente ausgebildet sind, ein homogener Temperaturgradient herrscht und die Thermoelemente untereinander, beziehungsweise zur Spitze des Mantelgehäuses jeweils gleiche Abstände haben.

Sollten derartige gleiche Abstände nicht vorliegen, gilt ge mäß einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ver fahrens für die Berechnung der Temperatur an der Spitze des Mantelgehäuses:

TMS = T1+a_1-Ms(T1-T2)/a_1-2 (3),

mit TMS gleich der Temperatur an der Spitze des Mantelgehäu ses, T1 gleich der Temperatur des der Spitze des Mantelgehäu ses am nächsten liegenden Thermoelements, T2 gleich der Tem peratur des diesem Thermoelement benachbart angeordneten Thermoelements und a gleich dem Abstand zwischen den einzel nen Thermoelementen.

Durch Verwendung von Gleichung (3) können die Thermoelemente untereinander, beziehungsweise zur Spitze des Mantelgehäuses unterschiedliche Abstände aufweisen.

Da sich in der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach dem Ein schwingen ein linearer Temperaturgradient ausbilden wird, kann die Temperatur an der Spitze des Mantelgehäuses aber auch errechnet werden, indem der Gradient aus der Temperatur differenz und dem Abstand der einzelnen Thermoelemente be rechnet und mit dem Abstand zur Spitze des Mantelgehäuses ex trapoliert wird.

Weiterhin kann der Fall auftreten, daß bei einer schnellen Aufheizphase die Temperaturverteilung im Mantelgehäuse nicht im Gleichgewicht ist. In diesem Fall kann beispielsweise die Einstellung des Gleichgewichts zunächst abgewartet werden. Die Temperatur kann aber auch aus der Exponentialfunktion, die die Einstellung eines thermischen Gleichgewichts be schreibt, und den Abständen der Thermoelemente zur Spitze des Mantelgehäuses abgeschätzt werden. Wenn die Auswertung von einem programmierten Rechner vorgenommen wird, kann die er findungsgemäße Vorrichtung auch im thermischen Ungleichge wicht eingesetzt werden.

Erfindungsgemäß können mit dem Verfahren Temperaturen von mehr als 2000°C, vorzugsweise bis etwa 2800°C gemessen wer den.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläu tert. Es zeigt die einzige Fig. 1 eine schematische Ansicht der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Messen von Temperatu ren.

In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 10 zum Messen von Temperaturen dargestellt, die insbesondere für die Messung von Temperatu ren bis etwa 2800°C geeignet ist. Die Vorrichtung 10 ist in der Wand 30 eines Reaktionsgefäßes angeordnet.

Die Vorrichtung 10 weist ein Mantelgehäuse 11 mit einer Spit ze 12 auf, die in die von der Wand 30 eingeschlossene heiße Zone 31 gerichtet ist. Die der Spitze 12 gegenüberliegende Seite des Mantelgehäuses 11 weist in Richtung der kalten Zone 32, die sich außerhalb des Reaktionsgefäßes befindet.

Das Mantelgehäuse 11 weist drei Thermoelemente 14, 15, 16 auf, die als Thermopaare aus jeweils zwei dünnen Drähten aus gebildet sind. Die Thermoelemente 14, 15, 16 sind in einer Reihe hintereinander angeordnet, wobei die Spitzen der Ther moelemente 14, 15, 16 in der Achse des Metallgehäuses 11 aus gebildet sind. Die Thermoelemente 14, 15, 16 sind über Lei tungen 17, 18, 19 mit einer nicht dargestellten Auswerteein heit verbunden.

Die Thermoelemente 14, 15, 16 sind jeweils im gleichen Ab stand a voneinander angeordnet. Das der Spitze 12 des Mantel gehäuses am nächsten liegende Thermoelement 14 weist zur Spitze 12 ebenfalls einen Abstand a auf. Die Thermoelemente 14, 15, 16 sind im Abstand r, der größer oder gleich dem Ab stand a ist, zur Oberfläche 13 des Mantelgehäuses 11 angeord net.

Nachfolgend wird nun die Funktionsweise der Vorrichtung 10 beschrieben.

Mit dem Thermoelement 14 wird eine Temperatur T1, mit dem Thermoelement 15 wird eine Temperatur T2 und mit dem Thermo element 16 wird eine Temperatur T3 gemessen. Aufgrund der eingestellten gleiche Abstände der Thermoelemente 14, 15, 16 untereinander und zur Spitze 12 des Mantelgehäuses 11 wird innerhalb der Vorrichtung 10 ein homogener Temperaturgradient eingestellt, wobei die Thermoelemente immer niedrigere Tempe raturwerte messen, je weiter sie von der Spitze 12 des Man telgehäuses 11 entfernt sind. Über die oben genannten Glei chungen (1) und (2) kann in der Auswerteeinheit die an der Spitze 12 des Mantelgehäuses 11 herrschende Temperatur TMS, die der Temperatur in der heißen Zone 31 des Reaktionsgefäßes entspricht, errechnet werden.

Claims

1. Vorrichtung zum Messen von Temperaturen, mit einem Man telgehäuse (11) und wenigstens zwei Thermoelementen (14, 15, 16), die beabstandet voneinander sowie von der Spit ze (12) des Mantelgehäuses (11) innerhalb des Mantelge häuses (11) angeordnet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß drei Thermoelemente (14, 15, 16) im Mantelgehäuse (11) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, daß die Thermoelemente (14, 15, 16) in einer Reihe hintereinander angeordnet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen der Thermoelemente (14, 15, 16) in der Achse des Mantelgehäuses (11) ausgebildet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (14, 15, 16) je weils als Thermopaar mit zwei Thermoelementbestand teilen ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (14, 15, 16) aus Drähten gebildet sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (14, 15, 16) aus einer Pt/PtRh- oder W/Re-Legierung gebildet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelgehäuse (11) einteilig ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelgehäuse (11) mehrschalig ausgebildet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelgehäuse (11) aus einem Ma terial mit schlechter Wärmeleitung gebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelgehäuse (11) aus Keramik und/oder Metall und/oder Kohlenstoff gebildet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermoelemente (14, 15, 16) un tereinander, sowie das der Spitze (12) des Mantelgehäu ses (11) am nächsten liegende Thermoelement (14) zur Spitze (12) des Mantelgehäuses (11) jeweils den gleichen Abstand (a) aufweisen.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der seitliche Abstand (r) der Ther moelemente (14, 15, 16) zur Oberfläche (13) des Mantel gehäuses (11) größer oder gleich dem Abstand zwischen den Thermoelementen (14, 15, 16) ist.

14. Verfahren zum Messen von Temperaturen, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Messen von Temperaturwerten mit einer Vorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 13; und b) Berechnen der Temperaturen mit einer Auswerteeinheit.

15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung der Temperatur an der Spitze (12) des Mantelgehäuses (11) gilt: TMS = T1+(T1-T2), mit TMS gleich der Temperatur an der Spitze (12) des Mantelge häuses (11), T1 gleich der Temperatur des der Spitze (12) des Mantelgehäuses (11) am nächsten liegenden Ther moelements (14) und T2 gleich der Temperatur des dem Thermoelement (14) benachbart angeordneten Thermoele ments (15).

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung der an der Spitze (12) des Mantelge häuses (11) herrschenden Temperatur weiterhin gilt: T1-T2 = T2-T3, mit T1 gleich der mit dem Thermoelement (14) gemessenen Temperatur, T2 gleich der mit dem Ther moelement (15) gemessenen Temperatur und T3 gleich der mit dem Thermoelement (16) gemessenen Temperatur.

17. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß für die Berechnung der Temperatur an der Spitze (12) des Mantelgehäuses (11) gilt: TMS = T1+a_1-Ms(T1-T2)/a_1-2, mit TMS gleich der Temperatur an der Spitze (12) des Mantelgehäuses (11), T1 gleich der Temperatur des der Spitze (12) des Mantelgehäuses (11) am nächsten liegen den Thermoelements (14), T2 gleich der Temperatur des dem Thermoelement (14) benachbart angeordneten Thermo elements (15) und (a) gleich dem Abstand zwischen den einzelnen Thermoelementen (14, 15, 16).

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Temperaturen von mehr als 2000°C, vorzugsweise bis etwa 2800°C gemessen werden oder meßbar sind.