DE2318004A1 - Temperaturdifferenzanalysator fuer temperaturen oberhalb 1000 grad c - Google Patents

Description

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DSpMM-. K. LAMPRECHT
K. Q E E T Z Jr.

kr. 1β 410-20.

10. April 1975

COMMISSARIAT A L'ENERGIE ATOMIQUE. Paris (Frankreich)

Temperaturdifferenzanalysator für Temperaturen oberhalb 1000 °C

Die Erfindung betrifft einen Temperatur- oder Thermodifferenzanalysator für Temperaturen oberhalb 1000 °C.

Für den Bau von Temperaturdifferenzanalysatoren für Temperaturen unterhalb 1000 °C gibt es zahlreiche Möglichkeiten: Man verfügt über eine sehr große Auswahl von Bauelementen, Tiegeln und Detektoren, und die Verbindung von Thermoelementen und Tiegeln kann einfach ausgeführt werden durch Löten bzw. Schweißen, was eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Analysators und dessen Auflösungsvermögen gestattet.

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Im Gegensatz dazu ist für Temperaturen oberhalb 1000 C die Auswahl an Thermoelementen ziemlich begrenzt und die Empfindlichkeit im allgemeinen mäßig; außerdem erfordern physiko-chemische Unverträglichkeiten zwischen metallischen Tiegeln und Proben (aus reinen Metallen oder Legierungen) oft die Verwendung von Tiegeln aus hitzebeständigen oder feuerfesten Oxiden (z. B. aus Berylliumoder Aluminiumoxid), und in diesem Fall ist eine Verbindung von Thermoelementen und Tiegeln durch einfache Lötstellen unmöglich.

Bekanntlich gestattet die Temperaturdifferenzanalyse die Beobachtung und Bestimmung zu jedem Zeitpunkt der Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen einer zu untersuchenden Probe und einer Bezugsprobe frei von thermischen Beeinflussungen im betrachteten Temperaturintervalls Man erhitzt (oder kühlt) gleichzeitig mit ein- und derselben vorgegebenen konstanten Geschwindigkeit die beiden Proben, die man jeweils in einen Probenhaltertiegel eingeführt hat, und man bestimmt die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Tiegeln mittels zweier Thermoelemente»

Eines der Probleme der bekannten Verfahren zur Temperaturdifferenzanalyse liegt in der Bestimmung der Temperaturen, weil es schwierig ist, eine Gleichheit zwischen der Temperatur jeder Probe und der der Lötstelle des ihr entsprechenden Thermoelements zu erzielen, denn in Wirklichkeit zeigt in jeder Temperaturmeßeinrichtung das Thermoelement seine Eigentemperatur an, und wegen des Umstands, daß die Lötstelle im allgemeinen chemisch geschützt ist und die Drähte des Thermoelements von der Konstruktion her Värmeverlusten unterliegen, ist die

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nutzbare Empfindlichkeit zur Erfassung thermischer Phänomene sehr begrenzt.

Ein Temperaturdifferenzanalysator für Temperaturen oberhalb 1OOO C, um zu jedem Zeitpunkt die Temperaturdifferenz zwischen einer zu untersuchenden Probe und einer Bezugsprobe zu ermitteln, mit zwei Tiegeln aus feuer- bzw. hitzefesteu bzw. hitzebeständigem Oxid, deren einer die zu untersuchende Probe und deren anderer die Bezugsprobe frei von thermischen Beeinflussungen aufnimmt, wobei die beiden Tiegel jeweils auf einem Halter aus feuerfestem Oxid ruhen und wobei die Temperaturdifferenz durch zwei gegeneinander geschaltete Thermoelemente erfaßbar ist, ist gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß zwischen jedem Tiegel und seinem zugehörigen Halter eine Scheibe aus feuer- bzw. hitzefestem Metall großer Reinheit und guter thermischer Eigenschaften eingesetzt ist, und daß an jeder Scheibe an deren vom Tiegel abgewandten Seite die warme Lötstelle von einem der Thermoelemente befestigt ist.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung gewährleistet ein kleiner Hohlzylinder, der eine einstückige Einheit mit der entsprechenden Scheibe bildet, die Quetschverbindungs-Befestigung der warmen Lötstelle auf der Scheibe.

Eine andere Ausführung besteht darin, daß die Befestigung der dazugehörigen Scheibe durch eine einfache Lötstelle vorgenommen ist.

Die durch jede Scheibe und ihren Tiegel gebildete Einheit ist von einem entsprechenden Halter aufgenommen.

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Nach einer weiteren Abwandlung der Erfindung ist jede Scheibe in einen entsprechenden Tiegel eingebaut, der einen sehr guten Wärmeaustausch gewährleistet. Die feuerfesten Scheiben bestehen aus Niobium oder Rhenium. Gute Resultate erhält man mit Thermoelementen, die durch Elemente gebildet werden, die einerseits eine Wolfram-Rhenium-Legierung zu 5 Ί° und andererseits eine Wolfram-Rhenium-Legierung zu 26 $ haben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Gesamtansicht eines Temperaturdifferenz-Analysators mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 2 schematisch die Scheibe-Halter-Tiegel-Einheit dieser Vorrichtung, wobei die Befestigung jeder warmen Lötstelle auf der entsprechenden Scheibe durch eine Quetschverbindung vorgenommen ist, und wobei jede Scheiben-Tiegel-Einheit vom entsprechenden Halter aufgenommen ist; und

Fig. 3 eine Ansicht ähnlich der von Fig. 2, wobei jedoch jede Scheibe vom zugehörigen Tiegel aufgenommen ist.

Die verschiedenen Faktoren, die in unterschiedlichem Maße in die Temperaturdifferenzanalysatoren eingehen, sind in etwa folgende:

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Art und Abmessungen der Probenhalter; Aufheizgeschwindigkeit der Substanzen; Symmetrie der Probenhalter;
Einfluß von Temperaturgradienten; theraische Eigenschaften der Bauteile.

Die Anwendung des Prinzips der Temperaturdifferenzanalyse bei Temperaturen oberhalb 1000 C begrenzt die Wahl der Thermoelemente und erfordert die Verwendung von chemisch sehr s'tabilen Werkstoffen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist genau bestimmt für einen Betrieb bei Temperaturen oberhalb 1000 C₀

Diese Vorrichtung, die in an sich bekannter Weise gebildet wird durch zwei Tiegel 1 und 2 aus feuerfestem Oxid (z. B-. aus Berylliumoxid) , von denen der eine eine zu untersuchende Probe (nicht gezeigt) und der andere eine (ebenfalls nicht gezeigte) Bezugsprobe aufnimmt, die auf einem Halter 3 bzw. einem Halter h aus feuerfestem Oxid ruhen, sowie durch zwei Thermoelemente (AB, CD), die gegeneinander geschaltet sind, ist in Fig. 1 zusammen mit dem gesamten Temperaturdifferenzanalysator abgebildet, der aufweist einen Ofen 5» der von einem Widerstand 6 umgeben ist und in dem sich die erfindungsgemäße Vorrichtung befindet, ferner mehrere Hitzeschilde 7» einen Träger 8 und ein Stellthermoelement 9·

Die erfindungsgemäße Vorrichtung, die genauer in Fig. 2 und 3 abgebildet ist, ist im wesentlichen gekennzeichnet einerseits dadurch, daß zwischen dem Halter 3 und dem Tiegel 1 sowie zwischen dem Halter h und dem Tie-

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gel 2 jeweils eine feuerfeste Scheibe 10 bzw. 11 großer Reinheit und mit guten thermischen Eigenschaften angeordnet ist, und andererseits dadurch, daß an jeder Scheibe 10 bzw. 11 an der zum Tiegel 1 bzw. 2 entgegengesetzten Fläche die warme Lötstelle von einem der beiden Thermoelemente (des Thermoelements A,B für die Scheibe 10 und des Thermoelements C,D für die Scheibe 11) befestigt ist.

Die folgenden Erläuterungen gelten unabhängig von Fig. 2 und Fig. Ji Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann, wie sie in Fig. 2 und 3 abgebildet ist, bis zu Temperaturen von etwa 18OO C verwendet werden.

Die Scheiben 10 und 11, die z. B. einen Durchmesser von 7 mm und eine Dicke von 0,5 mm haben, sind untereinander durch Thermoelementdrähte mit einem Durchmesser von 0,2 mm verbunden.

Die Scheiben 10 und 11 bestehen aus Niobium oder aus Rhenium, die Thermoelementdrähte dagegen aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung zu 5 ί (Zweige A und C) und aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung zu 26 $ (Zweige B, D und E)

Da Wolfram bei einer hohen Temperatur rekristallisiert und da die warmen Lötstellen der Thermoelemente brüchig werden nach Anlögen an die Scheiben 10 und 11, ist vorgesehen, daß jede Scheibe an ihrer Unterseite einen Hohlzylinder 12 (für die Scheibe 10) bzw. 13 (für die Scheibe 11) trägt und daß die warmen Lötstellen der Thermoelemente in diese Zylinder eingesetzt werden.

Jeder derartige Hohlzylinder 12 bzw. 13 bildet eine

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einstückige Einheit sit der entsprechenden Scheibe und ist aus demselben Werkstoff (Niobium oder Rhenium) ausgeführt. Die sehr gute Kaltduktilität von Niobium (oder von Rhenium) erlaubt eine Quetschverbindung und einen guten Wärmekontakt mit den Drähten der Thermoelemente.

Ein anderes kleines Niobium-Stück F (oder aus Rhenium) bewirkt eine Quetschverbindung 14 der Drähte 6, D und E der Thermoelemente. Die Probenträger-Tiegel 1 und 2 sind - wie bereits erwähnt - aus feuerfestem Oxid gefertigt, z. B. aus Berylliumoxid: Dieser Werkstoff, der wegen seiner thermischen Eigenschaften vorteilhaft ist, hat eine große chemische Trägheit gegenüber Metallen und Legierungen im Fltissigzustand, und.er dissoziiert nur schwach bei Temperaturen unterhalb 2,000 C.

Die verschiedenen Halter bestehen aus gesintertem Aluminiumoxid hoher Dichte, das sich bei einer Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur von Berylliumoxid zersetzt.

Der Widerstand 6 .des Ofens 5 (vgl.' Fig. 1) besteht aus Tantal; sein gutes Verhalten ist zurückzuführen auf den im Gefäß herrschenden Druck, der 10~ Torr bis zu 1500 °C beträgt. Dieser Widerstand 6 ist auf dem Zylinder 5z. B. mit einen Durchmesser von 28 mm und aus einem Werkstoff von Aluminiumoxid oder Thoriumoxid aufgewickelt. Die Hitzeschilde 7 aus Tantal und aus rostfreiem Stahl gewährleisten bei der gesaraten in Fig. 1 abgebildeten Anordnung eine gute Homogenität des Temperaturfelds. Die Anstiegs- oder Abfallezeit der Temperatur kann zwischen 50 °C/h und 3OO °C/h fixiert werden.

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Bei einer (nicht gezeigten) Abwandlung des Ausführungsbeispiels gemäß der Erfindung bestehen die Thermoelement-Drähte aus Platin (die Zweige A und C) und aus Platin-Rhodium zu 10 # (Zweige B, D und E), und die Befestigung dieser Drähte an den Scheiben 10 und 11 (die selbst aus Platin-Platin-Rhodium zu 10 $ bestehen) erfolgt durch einfaches klassisches Löten bzw» Schweißen mittels Kondensatorentladung ebenso wie die Verbindung der Drähte bei 14. Die Zylinder 12 und 13 und das Stück F von Fig. 2 und 3 werden also nicht mehr benötigt.

Diese Abwandlung ist nur geeignet für Temperaturen unterhalb 13OO °C, weil oberhalb dieser Temperatur die e findungsgemäße Vorrichtung, die empfindlich ist gegenüber einer aggressiven Umgebung, Änderungen unterliegt, die sehr empfindlich auf die Reproduzierbarkeit der Messungen einwirken (Einwirkung von Siliziumoxid, das in den feuerfesten Trägern 3 und k enthalten ist, ferner Diffusion des Rhodiums in das Platin).

Der oben beschriebene Temperaturdifferenzanalysator gestattet die Untersuchung von Strukturänderungen von oberhalb 1000 ⁰C bis I8OO °C bei Proben, deren Masse zwischen 0,5 und 5 g liegt.

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Claims (5)

1. Patentansprüche

   fi .J Temperaturdifferenzanalysator für Temperaturen
   oberhalb 1000 C, um zu jedem Zeitpunkt die Temperaturdifferenz zwischen einer zu untersuchenden Probe und einer Bezugsprobe zu ermitteln, mit zwei Tiegeln aus feuer- bzw. hitzefestem bzw. hitzebeständigem Oxid, deren einer die zu untersuchende Probe und deren anderer die Bezugsprobe frei von thermischen Beeinflussungen aufnimmt, wobei die beiden Tiegel jeweils auf einem Halter aus feuerfestem Oxid ruhen und wobei die Temperaturdifferenz durch zwei gegeneinander geschaltete Thermoelemente erfaßbar
   ist, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen jedem Tiegel (1, 2) und seinem zugehörigen Halter (3; ^) eine Scheibe (1O; 11 ) aus feuer- bzw, hitzefestem Metall großer Reinheit und guter thermischer Eigenschaften eingesetzt ist, und daß an jeder Scheibe an deren vom Tiegel abgewandten Seite die warme Lötstelle von einem der Thermoelemente befestigt ist.
2. 2. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Befestigung der warmen Lötstelle an der zugehörigen Scheibe vorgenommen ist durch einen kleinen Hohlzylinder (12; 13), der mit der zugehörige* Scheibe (1O; 11) einstückig auegebildet ist und als Behälter für die in ihn eingequetschte warme Lötstelle dient, und daß der Werkstoff dieser einstückigen Einheit einerseits eine dieses Quetschen erlaubende Kaltduktilität hat und andererseits chemisch träge gegenüber dem Tiegel (1; 2) und dem zu dieser Scheibe gehörenden Halter (3; k) ist.

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3. 3. Analysator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die warme Lötstelle auf der entsprechenden Scheibe (1O; 11) durch einfache Lötung bzw. Verschweißung befestigt ist.
4. 4. Analysator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit, die durch jede Scheibe (1O; 11) und ihren Tiegel (i; 2) gebildet ist, vom entsprechenden Halter (3; ^) aufnehmbar ist (Fig. 2).
5. 5. Analysator nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß jede Scheibe (1O; 11) vom entsprechenden Tiegel (ij 2) aufgenommen ist, um den Wärmeaustausch zu verbessern (Fig. 3)·

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