DE2302345A1

DE2302345A1 - FAST-RESPONDING RESISTANCE THERMOMETER FOR HIGH MECHANICAL AND CORROSIVE DEMANDS

Info

Publication number: DE2302345A1
Application number: DE19732302345
Authority: DE
Inventors: Walter Dr Diehl; Thomas Dr Nesse; Joachim Dr Scholz
Original assignee: Degussa GmbH
Current assignee: Evonik Operations GmbH
Priority date: 1973-01-18
Filing date: 1973-01-18
Publication date: 1974-07-25

Description

Schnellansprechendes Widerstandsthermometer für hohe mechanische und korrosive Beansprucllullgen.Fast-responding resistance thermometer for high mechanical and corrosive stresses.

Die Erfindung betrifft ein hochdruckfestes Widerstandsthermometer mit einer besonders kurzen Ansprechzeit, das mit einem gegen tiberhitzten Wasserdampf beständigen Schutzrohr ausgestattet ist.The invention relates to a high-pressure resistant resistance thermometer with a particularly short response time, that with an overheated steam resistant protective tube is equipped.

Ein Widerstandsthermometer setzt sich im allgemeinen aus einem Messwiderstand und einem metallischen Schutzrohr zusammen, das zum Schutz des Mess:widerstands vor mechanischer und korrosiver Beanspruchung dient. Der Messwiderstand besteht aus einem geeichten Platinmessdraht, eingebettet in einen Trägerkörper, vorzugsweise aus Keramik.A resistance thermometer is generally made up of a measuring resistor and a metallic protective tube, which is used to protect the measuring resistor serves against mechanical and corrosive stress. The measuring resistor exists from a calibrated platinum measuring wire, embedded in a carrier body, preferably made of ceramic.

Für die Temperaturmessung und Regelung sch@ell verlaufender Reaktionen und kritischer Betriebszustände ist es wichtig, dass die Temperaturmessgeräte eine sehr kurze Ansprechzeit besitzen, d.h., das Widerstandsthermometer muss eine sprunghafte Temperaturänderung des umgebenden Mediums in seht kurzer Zeit anzeigen Die Aii' zeigeverzögerung ist abhängig von der Wärmekapazität des Temperaturfühlers und vor allem von den Wärmeleitungswiderständen zwischen Messmedium und Messdraht.For temperature measurement and control of rapid reactions and critical operating conditions, it is important that the temperature measuring devices have a have a very short response time, i.e. the resistance thermometer must have an erratic Show temperature change of the surrounding medium in a very short time The Aii ' display delay depends on the heat capacity of the temperature sensor and before mainly from the heat conduction resistance between the measuring medium and the measuring wire.

Insbesondere beim Einsatz solcher Wid ers tands thermometer in Dampfkraftwerken oder Kernkraftwerken muss das Schutzrohr korrosiensbeständig sein und Drücken bis zu 200 at standhalten.Especially when using such resistance thermometers in steam power plants or nuclear power plants, the protective tube must be corrosion resistant and press up to to withstand 200 at.

Die Ansprechzeit eines Widerstandsthermometers ist in besonderem Masse bestimmt durch die Luftspaite zwischen Messwiderstand und Schutzrohr. Eine optimale the@mische Ankoppelung des Messwiderstandes an das Schutzrohr ist daher sehr wichtig für eine möglichst kurze Ansprechzeit des Widerstandsthermometers.The response time of a resistance thermometer is particularly important determined by the air gap between the measuring resistor and the protective tube. An optimal one The thermal coupling of the measuring resistor to the protective tube is therefore very important for the shortest possible response time of the resistance thermometer.

Kurze Ansprechzeiten bei Widerstandsthermometern erreichte man bisher dadurch, dass man Messwiderstände in dünnwandige Metallschutzrohre einpasste und die auftretenden Luftspalte durch Ausgiessen z.B. mit Blei, Zink oder einer speziellen Wärmeleitpaste füllte. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, dass durch die unterschiedliche thermische Ausdehnung beim Eingiessen der schmelzflüssigen Metalle Beschädigungen am Messwiderstand auftreten und sich beim Betrieb Spalte zwischen Metall und Messwiderstand bilden können.Short response times have been achieved with resistance thermometers up to now by fitting measuring resistors into thin-walled metal protection tubes and the resulting air gaps by pouring e.g. with lead, zinc or a special one Thermal paste filled. However, this method has the disadvantage that due to the different thermal expansion when pouring the molten metals damage occur at the measuring resistor and there is a gap between the metal and the measuring resistor during operation can form.

Auch ein Umwickeln des Messwiderstandes mit einer Aluminiumfolie vor dem Einpassen in das Schutzrohr zur Vermeidung eines Luftspaltes zwischen Messwiderstand und Schutzrohr brachte keine befriedigende Lösung, da die Folie Luftspalte weder vollständig, noch an allen Stellen auszufüllen vermag.Wrapping the measuring resistor with an aluminum foil is also possible fitting into the protective tube to avoid an air gap between the measuring resistor and protective tube did not bring a satisfactory solution, as the film neither air gaps completely, still able to fill in all places.

Eine kurze Ansprechzeit von Temperaturfühlern versuchte man ausseldem dadurch zu erreichen, dass man nicht isolierte, dünne Messwendeln in dünnwandige, innen mit einer dünnen Isolierschicht versehene Schutzrohre einbaute. Diese Temperaturfühler haben Jedoch den Nachteil, dass ihre Herstellung sehr aufwendig ist und sich die Messwendel bei hohen Temperaturen sehr leicht verzieht und sich dann vom Schutzrohr abhebt.A short response time of temperature sensors was also tried can be achieved by inserting non-isolated, thin measuring coils into thin-walled, built in protective tubes with a thin insulating layer on the inside. These temperature sensors However, they have the disadvantage that their production is very complex and the The measuring coil is easily distorted at high temperatures and then disengages from the protective tube takes off.

Auch wurde vorgeschlagen, einen keramischen Messwiderstand in ein metallisches Schutzrohr einzupassen und auf das Schutzrohr einen allseitigen Druck auszuüben. Dadurch wird das Schutzrohr soweit verformt, dass es ganz oder zumindest teilweise auf dein keramischen Messwiderstand aufsitzt und einen sehr innigen mechanischen Kontakt mit diesem. herstellt. Aber auch hier reicht der 1.Tarmeleitende Kontakt nicht immer aus, so dass die Ans-prechzeit für bestimmte spezielle Anwendungsbereiche noch zu lang ist.It was also proposed to use a ceramic measuring resistor in a to fit metallic protective tube and pressure on all sides on the protective tube exercise. As a result, the protective tube is deformed to such an extent that it is completely or at least partially rests on your ceramic measuring resistor and a very intimate mechanical Contact with this. manufactures. But here too, the first contact in charge of the Tarmac is sufficient not always out, so that the response time for certain special areas of application is still too long.

Es wurde nun gefunden, dass die geforderten Bedingungen in bezug auf sehr kurze Ansprechzeit, Korresi@nsbeständigkeit und Druckfestigkeit auf einfache Wei e durch ein Widerstandsthermometer erfüllt werden können, bei dem der metallisierte Trägerkörper für die Messwicklung stoffschlüssig mit einer Buchse verbunden ist, die aus einem metallischen Werkstoff besteht, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient im Verwendungsbereich der Widerstandsthermometer um nicht melir als 50 % von dem des Trägerkörpers abweicht, und diese Buchse wiederum stoffschlüssig mit einem äusseren diinnwandigen Rohr aus korrosionsbeständigem Werkstoff verbunden ist.It has now been found that the required conditions with respect to very short response time, corrosion resistance and pressure resistance in a simple Wei e can be met by a resistance thermometer in which the metallized Carrier body for the measuring winding cohesively with a socket is connected, which consists of a metallic material whose thermal Expansion coefficient in the area of application of the resistance thermometer by not melir deviates from that of the carrier body by 50%, and this socket in turn is firmly bonded connected to an outer thin-walled tube made of corrosion-resistant material is.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Widerstandsthermometers ist in ein dünnwandiges Rohr aus einem korrosionsbeständigen metallischen Werkstoff eine Buchse aus einem anderen metallischen Werkstoff eingelötet, dessen thermischer Ausdelinungskoeffizient im Einsatztemperaturbereich des Widers tands thermometers um nicht mehr als 50 % von dem des Trägerkörpers abweicht; ir. diese Buchse ist ein durch Metallisieren des Trägerkörpers lötbar gemachter Messwiderstand eingelötet.In a preferred embodiment of the resistance thermometer according to the invention is in a thin-walled tube made of a corrosion-resistant metallic material a socket made of a different metallic material is soldered, its thermal Expansion coefficient in the operating temperature range of the resistance thermometer does not differ from that of the carrier body by more than 50%; ir. this socket is a measuring resistor made solderable by metallizing the carrier body is soldered in.

Vorzugsweise sollte der Ausdehnungskoeffizient des metallischen Buchsenwerkstoffs im Einsatztemperaturbereich des Widerstandsthermometers um nicht mehr als 30 f vom Ausdehnungskoeffizienten des Trägerkörpers abweichen.The expansion coefficient of the metallic bushing material should preferably be in the operating temperature range of the resistance thermometer by no more than 30 f from The expansion coefficients of the carrier body differ.

Bewährt hat sich ein Widerstandsthermometer, dessen dünnes Schutzrohr aus V4A-Stalll besteht, in das eine Buchse aus einer Eisenlegierung mit ca. 43 % Nickel eingelötet ist. In dieser Buchse eingelötet befindet sich ein Messwiderstand mit einem Platinmessdraht, eingebettet in einen metallisierten Trägerkörper aus einer Aluminiumoxidkeramik.A resistance thermometer with a thin protective tube has proven itself consists of V4A-Stalll, in which a socket made of an iron alloy with approx. 43% Nickel is soldered in. A measuring resistor is soldered into this socket with a platinum measuring wire, embedded in a metallized support body an aluminum oxide ceramic.

Die Metallisierung des Trägerkörpers erfolgt vorteilhafterweise durch Einbrennen einer bekannten Mangan-Molybdän-Paste, auf die galvanisch oder mittels anderer Verfahren eine Edelmetallschicht abgeschieden wird.The carrier body is advantageously metallized by Burning in a well-known manganese-molybdenum paste, galvanically or by means of other processes a noble metal layer is deposited.

Das Einlöten der Buchse in das dünnwandige Rohr als auch des metallisierten T1ägerkörpers in die Buchse geschieht mit bekannten Silberloten.Soldering the socket into the thin-walled tube as well as the metallized one T1 carrier body into the socket is done with known silver solder.

Die Dicke des dünnwandigen korrosionsbeständigen Schutzrohres liegt vorteilhafterweise zwischen 0,95 und 0,5 mm, vorzugsweise zwischen 0,1 und 0,3 mm. Die Wandstärke der Buchse sollte zwischein 0,2 und 1 mm betragen, die Edelmetallschicht des Metallisierungsüberzugs zwischen 0,005 und 0,03 mm stark sein.The thickness of the thin-walled corrosion-resistant protective tube is advantageously between 0.95 and 0.5 mm, preferably between 0.1 and 0.3 mm. The wall thickness of the socket should be between 0.2 and 1 mm, the precious metal layer of the metallization coating must be between 0.005 and 0.03 mm thick.

Beispielsweise besteht ein erfindungsgemässes Widerstandsthermometer, das für r den Dauereinsatz bei 5500C und 200 at geeignet ist und eine Ansprechhalbwertszeit von weniger als 1 Sekunde hat, aus einem 0,2 mm starken V4A-Rohr, in das eine Buchse aus einer Eisenlegierung mit etwa 43 % Nickel und eine Wandstärke von 0,6 mm mittels eines Silberlotes eingelötet ist. In diese Buchse ist ein metallisierter Messwiderstand eingelötet, der sich.For example, there is a resistance thermometer according to the invention, which is suitable for continuous use at 5500C and 200 at and has a response half-life of less than 1 second from a 0.2 mm thick V4A tube into which a socket made of an iron alloy with about 43% nickel and a wall thickness of 0.6 mm means a silver solder is soldered in. There is a metallized measuring resistor in this socket soldered to the.

aus einem Aluminiumoxidträger und einem darin eingebetteten Platinmessdraht zusammensetzt. Die Metallisierung besteht aus einer dünnen Mangan-Molybdän-Schicht von etwa 1 µm m und einer 15 um starken Platinauflage. Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen 20 und 5000C betrugen bei dem verwendeten V4A-Stahl etwa 16 . io . grad-1, bei der Eisenlegierung mit ca. 43 % Nickel etwa 8,1. 10-6. grad-1 und bei dem verwendeten Aluminiumoxidträger 7,6 . 10-6 -1 Ausser Edelstahl können als korrosionsbeständige Werkstoffe beispielsweise auch die Platinmetalle, Gold, Titan, Tantal oder Molybdän Anwendung finden. Auch Cermets sind hierfür geeignet.made of an aluminum oxide carrier and a platinum measuring wire embedded in it composed. The metallization consists of a thin manganese-molybdenum layer of about 1 µm m and a 15 µm thick platinum layer. The coefficient of thermal expansion between 20 and 5000C was around 16 for the V4A steel used. ok degree-1, in the case of the iron alloy with approx. 43% nickel, approx. 8.1. 10-6. degree-1 and the one used Alumina support 7.6. 10-6 -1 Except stainless steel can be used as corrosion-resistant Materials, for example, also include platinum metals, gold, titanium, tantalum or molybdenum Find application. Cermets are also suitable for this.

Für den Trägerkörper können alle für Messwiderstände bekannten Isolationsmaterialien verwendet werden, wobei dann der Buchse werkstoff erfindungsgemäss entsprechend den bekannten Ausdehnungskoeffizienten ausgewählt werden muss.All insulation materials known for measuring resistors can be used for the carrier body are used, in which case the bushing material according to the invention is accordingly the known expansion coefficient must be selected.

Zusätzlich kann bei den erfindungsgemässen Widerstandsthermometern auf der äusseren Schutzrohroberfläclie ein weiterer dünner Überzug aus einem korrosionsbeständigen Material aufgebracht werden. Als korrosionsbeständige Materialien können boispielsweise Titanborid, Siliziumnitrid oder Aluminide Verwendung finden, die auch auf der äusseren Oberfläche der Buchse aufgebracht sein können.In addition, with the resistance thermometers according to the invention On the outer protective tube surface another thin coating made of a corrosion-resistant one Material are applied. As corrosion-resistant materials, for example Titanium boride, silicon nitride or aluminides are used, which are also used on the outer Surface of the socket can be applied.

Abbildung 1 zeigt schematisch im Querschnitt ein erfinduiigsgemässes Widerstands thermometer: Ein mit einer dünnen Mangan-Molybdänschicht 3 und einer Platinschicht 4 versehener Tfliger körper 1 aus Aluminiumoxid, in dem der Platinmessdraht 2 eingebettet liegt, ist mittels einer Silberlotschicht 5 in eine Buchse 6 aus einer Eisenlegierung mit ca. 43 % Nickel eingelötet. Diese Buchse 6 ist wiederum über eine Silberlotschickt 7 mit dem Edelstahlrohr 8 aus V4A fest verbunden.Figure 1 shows schematically in cross section an according to the invention Resistance thermometer: One with a thin layer of manganese-molybdenum 3 and one Platinum layer 4 provided Tfliger body 1 made of aluminum oxide, in which the platinum measuring wire 2 is embedded, is by means of a silver solder layer 5 in a socket 6 from a Iron alloy with approx. 43% nickel soldered in. This socket 6 is in turn over a silver solder 7 is firmly connected to the stainless steel tube 8 made of V4A.

Claims

Patent claims

1. Fast-responding resistance thermometer for high mechanical search and corrosive stresses in which a carrier body carrying the measuring winding is surrounded by a protective tube, characterized in that the metallized Carrier body with a socket made of metallic material and this with an outer thin-walled protective tube made of corrosion-resistant material, each materially bonded are connected and the socket consists of a material whose thermal expansion coefficient in the area of use of the resistance thermometer by not more than 50% of that of the carrier body for the measuring winding deviates.

2. Fast-responding resistance thermometer according to claim 1 thereby characterized in that in a thin-walled tube made of a corrosion-resistant metallic Material a socket made of a different metallic material and in this Buchsc a measuring resistor made solderable by metallizing the carrier body is soldered in is.

3. Fast-responding resistance thermometer according to claims 1 and 2, characterized in that a metallic bush material is used, its coefficient of expansion in the operating temperature range of the resistance thermometer does not differ from that of the carrier body by more than 30%.

4. Fast-responding resistance thermometer according to the claims @@ 1, 2 and 3, characterized in that a V4A stainless steel, for the socket an iron-nickel alloy with approx. 43 ffi nickel and as a carrier body find an aluminum oxide ceramic use.

5 fast-responding resistance thermometer according to claims 1 to 4, characterized in that the metallization of the carrier body consists of a very thin manganese-molybdenum adhesive layer on which a 5 - 30 µm thick noble metal layer is located is located.

6. Fast-responding resistance thermometer according to claims 1 to 5, characterized in that the wall thickness of the corrosion-resistant protective tube 0.05 - 0.5 mm and the wall thickness of the soldered socket is 0.2 to 1 mm.

7. Fast-responding resistance thermometer according to claim 1 to 6, characterized in that on the outer protective tube surface a thin Coating made of a corrosion-resistant material is applied, L. e e r e i t e