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Thermoelement-Ausgleichsle itung
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Die Erfindung betrifft eine Thermoelement-Ausgleichsleitung mit zwei
aus Litzenleitern bestehenden Leiterschenkeln.
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Der thermoelektrischen Temperaturmessung liegt die Erscheinung zugrunde,
daß an der Verbindungsstelle zweier verschiedener Leiterwerkstoffe, welche die sogenannten
Thermoelementschenkel bilden, eine elektrische Spannung entsteht, deren Größe von
der Temperatur dieser Verbindungsstelle, der sogenannten Meßstelle, abhängt. Beim
Schließen des Stromkreises zu Meßzwecken entstehen weitere Verbindungsstellen mit
anderen Metallen, an denen ebenfalls Thermospannungen auftreten. Um sichere Meßwerte
zu erhalten, müssen die Temperaturen dieser zusätzlichen Verbindungsstellen auf
einer konstanten und bekannten Höhe gehalten werden, nämlich auf der Vergleichsstellen-Temperatur.
Da sich die Temperaturkonstanz der Vergleichs stelle meist erst in einer gewissen
Entfernung von der Meßstelle erzielen läßt, andererseits aber die Thermoelementschenkel
häufig aus hochwertigen und teuren Materialien bestehen, macht man die Thermoelementschenkel
in der Regel nur so lang, daß sie gerade aus der heißen Zone
herausführen,
und schließt dann an der sogenannten Anschlußstelle Leitungen aus anderen Leiterwerkstoffen
an, die ihrerseits bis zur Vergleichsstelle führen. Diese Leitungen bezeichnet man
als Ausgleichsleitungen. Die Ausgleichs leitungen bestehen in der Regel aus zwei
Leitern, die in Analogie zu den zugehörigen Thermoelementschenkeln auch als Leiterschenkel
bezeichnet werden. Als Leiter für die Ausgleichsleitungen werden sowohl massive
Drähte als auch Litzenleiter verwendet, die meist aus 48 Einzeldrähten mit jeweils
0,2 mm Durchmesser aufgebaut sind. Aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und eines
möglichst kleinen elektrischen Gesamtwiderstandes der Ausgleichsleitung verwendet
man häufig für den einen Schenkel der Ausgleichsleitung eine Litze aus reinem Metall,
beispielsweise Eisen oder Kupfer. Als Leiter für den anderen Schenkel werden bisher
Litzen verwendet, deren Drähte jeweils aus einer einheitlichen Metall-Legierung
bestehen.
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Damit die Ausgleichsleitungen keine zusätzlichen Fehler bei der Temperaturmessung
verursachen, müßten ihre thermoelektrischen Eigenschaften an sich mit denen des
zugehörigen Thermoelements in dem ganzen Temperaturbereich, in dem die Temperatur
der Anschlußstelle schwanken kann, üblicherweise zwischen 0 und 2000C, übereinstimmen.
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Diese Ubereinstimmung konnte bei den bisherigen Ausgleichsleitungen
aber noch nicht in befriedigendem Umfang erreicht werden. Da die Leiterschenkel
der Ausgleichsleitungen åeweils aus einem anderen Metall bzw. einer anderen Metalllegierung
bestehen als die zugehörigen Thermoelementschenkel, bestanden bisher zwischen Thermoelement
und Ausgleichsleitung immer systematische, insbesondere mit steigender Temperatur
zunehmende Abweichungen in der Temperaturabhängigkeit der Thermospannung. Auch wenn
bisher beispielsweise Thermospannungen von Thermoelement und Ausgleichsleitung bei
10000 völlig übereinstimmen, findet man beispielsweise bei 500C einerseits und bei
2000C andererseits Abweichungen zwischen den Thermospannungen. Durch geeignete Auswahl
des Leitermaterials für die Aus gleichs leitungen konnten diese Abweichungen zwar
bisher schon in verhältnismäßig engen Grenzen gehalten werden, jedoch konnte die
bisher erzielte obereinstimmung insbesondere hohen Ansprüchen an die Meßgenauigkeit
noch nicht genügen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Thermoelement-Ausgleichsleitung
mit zwei aus Litzenleitern bestehenden Leiterschenkeln derart auszugestalten, daß
die tfbereinstimmung der Thermospannungen von Ausgleichs leitung und zugehörigem
Thermoelement weiter verbessert und insbesondere systematische Abweichungen der
Thermospannungen vermieden werden.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Litzenleiter
wenigstens eines Leiterschenkels zur möglichst genauen Angleichung der Thermospannungen
zwischen diesem und dem anderen Leiterschenkel innerhalb des Temperaturbereiches
von 0 bis 2000C an die Thermospannungen zwischen den Schenkeln des zugehörigen Thermoelementes
aus Drähten mit unterschiedlichen thermoelektrischen bzw. elektrischen Eigenschaften
zusammengesetzt ist.
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Durch die Kombination von Drähten mit unterschiedlichen thermoelektrischen
bzw. elektrischen Eigenschaften zu einem Litzenleiter gelingt es in überraschend
einfacher Weise, eine sehr gute Ubereinstimmung der Thermospannungen zwischen Ausgleichsleitung
und zugehörigem Thermoelement zu erreichen und insbesondere systematische Abweichungen
zwischen beiden zu vermeiden, da die unterschiedlichen systematischen Abweichungen
der einzelnen Leitermaterialien durch Kombination verschiedener solcher Materialien
zu einer Litze sehr gut ausgeglichen werden können.
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Bevorzugt wird der Litzenleiter des einen Leiterschenkels aus Drähten
mit unterschiedlichen Eigenschaften derart zusammengesetzt, daß die Thermospannungen
im Temperaturbereich von 0 bis 2000C von den Sollwerten der Thermospannungsreihe
des zugehörigen Thermoelementes höchstens um 45 % der nach DIN-Vorschrift 43710
zulässigen Toleranz abweichen. Bei
Nickelchrom-Nickel-Thermoelementen
beträgt diese Toleranz beispielsweise + 0,12 mV, bei Platinrhodium-Platin-Thermoelementen
bei 1000C etwa + 0,025 mV und bei 2000C etwa + 0,028 mV.
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In erster Linie kann der Litzenleiter aus Drähten zusammengesetzt
sein, die aus Materialien mit unterschiedlicher Thermospannung bestehen Da in die
Gesamtthermospannung der kombinierten Litze aber nicht nur die thermoelektrischen
Eigenschaften der Einzeldrähte sondern auch deren elektrische Widerstände eingehen,
kann man den Litzenleiter aber auch aus Drähten mit unterschiedlichem elektrischen
Widerstand zusammensetzen. Dabei können Leitermaterialien, insbesondere Legierungen,
mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen verwendet werden. Es ist aber auch
möglich, die Widerstände der Einzeladern durch entsprechende Wahl des jeweiligen
Drahtdurchmessers zu variieren und dadurch eine bestmögliche Anpassung an die vorgegebenen
Thermospannungen zu erzielen.
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Der Jeweils andere Leiterschenkel der Ausgleichsleitung kann aus einer
Litze aus reinem Metall bestehen, das Je nach dem zugehörigen Thermoelement entsprechend
ausgewählt wird. Beispielsweise kann man als Plus-Schenkel
einer
Ausgleichsleitung für ein Nickelchrom-Nickel-Thermoelement einen Litzenleiter aus
Eisendrähten und für den Plus-Schenkel einer Ausgleichsleitung fur ein Platinrhodium-Platin-Thermoelement
einen Litzenleiter aus Kupfer drähten verwenden.
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Besonders günstig für Nickelchrom-Nickel-Dhermoelemente haben sich
Ausgleichs leitungen erwiesen, bei denen der Litzenleiter des einen Leiterschenkels
aus Eisendrähten besteht und der Litzenleiter des anderen Leiterschenkels aus Drähten
aus verschiedenen, im wesentlichen Kupfer, Nickel, Mangan und gegebenenfalls auch
Eisen enthaltenden Legierungen derart zusammengesetzt ist, daß die Thermospannungen
im Temperaturbereich zwischen 0 und 2000C höchstens um + 0,05 mV von der Thermospannungsreihe
des Nickelchrom-Nickel-Thermoelementes abweichen.
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Für Platinrhodium-Platin-Thermoelemente haben sich Ausgleichsleitungen
als besonders günstig erwiesen, bei denen der Litzenleiter des einen Leiterschenkels
aus Eupferdrähten besteht und der Litzenleiter des anderen Leiterschenkels aus Drähten
aus verschiedenen, im wesentlichen Kupfer, Nickel und Mangan enthaltenden Legierungen
derart zusammengesetzt ist., daß die Thermospannungen im Temperaturbereich zwischen
0 und 2000C höchstens um + 0,01 mV von der Thermospannungsreihe des Nickelchrom-Nickel-Thermoelementes
abweichen.
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Bei besonders hohen Ansprüchen an die Meßgenauigkeit kann man aber
auch für beide Leiterschenkel der Ausgleichsleitung Litzenleiter verwenden, die
erfindungsgemäß aus Drähten mit unterschiedlichen Eigenschaften zusammengesetzt
sind.
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Anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele soll die Erfindung
noch näher erläutert werden.
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Als Ausgleichsleitungen für Nickelchrom-Nickel-2hermoelemente eignen
sich, wie bereits erwähnt, vorzugsweise Ausgleichsleitungen, deren Plus-Schenkel
aus einer Litze aus Eisen drähten besteht und für deren Minus-Schenkel ein Litzenleiter
verwendet ist, der aus Drähten aus verschiedenen, im wesentlichen Kupfer, Nickel,
Mangan und gegebenenfalls Eisen enthaltenden Legierungen zusammengesetzt ist. In
den beiden folgenden Beispielen werden zwei solcher Minus-Schenkel näher erläutert.
Die Plus-Schenkel bestehen åeweils aus 48 Eisendrähten mit Je 0,2 mm Durchmesser.
Auch die für die Minus-Schenkel verwendeten Drähte haben einen Durchmesser von jeweils
0,2 mm. Die Sollwerte für die Thermospannung sind -4,10 mV bei 1000C und -8,14 mV
bei 2000C. Bei der Bezugstemperatur von OOC betragen alle Thermospannungen 0 mV.
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Beispiel 1 Ein Minus-Schenkel eines Ausgleichs leiters wird aus 35
Drähten aus der Legierung 44 Gew.-%o Nickel, 1 Gew.-4/o'Mangan, Rest Kupfer mit
einer Thermospannung gegen Eisen von -5,36 mV bei 1000C und -10,86 mV bei 2000C
und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,49 Ohm mm2/m sowie aus 13 Drähten
der Legierung 2 Gew.-% Nickel, 12 Gew.-% Mangan, Rest Kupfer mit einer Thermospannung
gegen Eisen von -1,18 mV bei 1000C und -1,78 mV bei 2000C und einem spezifischen
elektrischen Widerstand von 0,43 Ohm mm2/m zusammengesetzt.
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Der zusammengesetzte Litzenleiter hat dann gegen Eisen eine Thermospannung
von -4,13 mV bei 1000C und -8,15 mV bei 20000e Die Abweichung der Thermospannung
gegenüber dem Sollwert beträgt somit bei 1000C nur -0,03 mV und bei 2000C nur -0,01
mV. Im gesamten Temperaturbereich zwischen OOC und 2000C wird eine Abweichung von
+ 0,03 mV nicht überschritten.
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Beispiel 2 Ein weiterer Minus-Schenkel eines Ausgleichsleiters wird
aus 12 Drähten aus der Legierung 44 Gew.-% Nickel, 1 Gew.-% Mangan, Rest Kupfer
mit einer Thermospannung gegen Eisen von -5,36 mY bei 1000C und -10,86 mV bei 2000C
und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,49 Ohm mm²/m, 31 Drähten aus
der Legierung 44 Gew.-O Nickel, 2 Gew.-% Mangan, 2 Gew.-% Eisen, Rest Kupfer mit
einer Thermospannung gegen Eisen von -4,10 mV bei 1000C und -8,19 mV bei
2000C
und einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,51 Ohm mm2/m sowie 5 Drähten
aus der Legierung 5 Gew.-Nickel, 12 Gew.-% Mangan, Rest Kupfer mit einer Thermospannung
gegen Eisen von -1,26 mV bei 10000 und -2,01 mV bei 2000C und einem spezifischen
elektrischen Widerstand von 0,50 Ohm mm2/m zusammengesetzt. Der so zusammengesetzte
Litzenleiter hat dann gegen Eisen eine Thermospannung von -4,10 mV bei 1000C und
-8,12 mV bei 20000.
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Die Abweichung der Thermospannung gegenüber den Sollwerten beträgt
in diesem Fall bei 1000C + O mV und bei 2000C +0,02 mV Im Bereich zwischen 100 und
2000C ist dies die größte Abweichung. Im Bereich zwischen 0 und 1000C beträgt die
maximale Abweichung weniger als +0,005 mV.
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Besonders deutlich wird bei diesem Beispiel die Verbesserung, die
durch Kombination unterschiedlicher Drahtmaterialien gegenüber einer Litze mit Drähten
aus gleichem Material erzielt werden kann. Würde man beispielsweise einen Minus-Schenkel
aus 48 Drähten der Legierung 44 Gew.-% Nickel, 2 Gew.-% Mangan, 2 Gew.-% Eisen,
Rest Kupfer allein aufbauen, so betrüge die Abweichung der Thermospannung bei 1000C
zwar auch + 0 mV, bei 2000C dagegen -0,06 mV, also das 5-fache der Abweichung des
nach dem vorstehenden Beispiel ausgebildeten Leiters.
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Für Platinrhodium-Platin-Thermoelemente kommen, wie bereits erwähnt,
vorzugsweise Ausgleichsleitungen in Frage, deren Plus-Schenkel aus einer Litze aus
Kupferdrähten besteht und für deren Minus-Schenkel ein Litzenleiter verwendet ist,
der aus Drähten aus verschiedenen, im wesentlichen Kupfer, Nickel und Mangan enthaltenden
Legierungen zusammengesetzt ist. Im folgenden Beispiel wird ein solcher Minus-Schenkel
näher erläutert. Der Plus-Schenkel besteht Jeweils aus 48 Kupferdrähten mit Je 0,2
mm Durchmesser. Auch die für haben den Minus-Schenkel verwendeten Drähte/åeweils
einen Durchmesser von 0,2 mm. Die Sollwerte für die Thermospannung betragen -0,645
mV bei 1000C und -1,440 mV bei 2000C. Bei der Bezugstemperatur von 000 sind wiederum
alle Thermospannungen gleich 0 mV.
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Beispiel 3 Ein Minus-Schenkel eines Ausgleichsleiters wird aus 12
Drähten aus der Legierung 2 Gew.-% Nickel, 12 Gew.-% Mangan, Rest Kupfer mit einer
Thermospannung gegen Kupfer von -0,06 mV bei 1000C und -0,03 mV bei 2000C und einem
spezifischen elektrischen Widerstand von 0,43 Ohm mm2/m, 2 Drähten aus der Legierung
5 Gew.-% Nickel, 12 Gew.-% Mangan, Rest Kupfer mit einer Thermospannung gegen Kupfer
von-0,14 mV bei 1000C und -0,28 mV bei 2000C und einem spezifischen elektrischen
Widerstand von 0,50 Ohm mm2/m sowie 34 Drähten aus der Legierung 20 Gew.-% Nickel,
10
Gew.-% Mangan, Rest Kupfer mit einer Thermospannung gegen Kupfer von -0,94 mV bei
1030C und -2,05 mV bei 2000C und einem spezifischen elektrischen Widerstand von
0,50 Ohm mm2/m zusammengesetzt. Der so zusammengesetzte Litzenleiter hat dann eine
Thermospannung gegen Kupfer von -0,640 mV bei 1000C und -1,439 mV bei 2000C, Die
Abweichung der Thermospannung gegenüber dem Sollwert beträgt somit bei 1000C nur
+0,005 mV und bei 2000C nur +0,001 mV. Die maximale Abweichung von 0,005 mV wird
auch im gesamten Temperaturbereich zwischen 0 und 2000C nicht überschritten.
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Die Thermospannung einer aus verschiedenen Drähten mit unterschiedlichen
thermoelektrischen bzw. elektrischen Eigenschaften zusammengesetzten Litze gegenüber
einem vorgegebenen Metall, beispielsweise Kupfer, bei vorgegebener Temperatur kann
verhältnismäßig leicht errechnet werden. Fiir zwei parallel geschaltete Drähte gilt
die Formel: Vx ~ V1.R2 + V2.R1 R1 + R2 wobei Vx die Thermospannung der Kombination
aus beiden Drähten, V1 die Thermospannung des Drahtes 1, V2 die Thermospannung des
Drahtes 2, R1 den Widerstand des Drahtes 1 und R2 den Widerstand des Drahtes 2 bedeuten.
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Wenn mehr als zwei Drähte mit verschiedenen Eigenschaften miteinander
verdrillt werden, kann man die Thermospannung der gesamten Kombincltion beispielsweise
dadurch berechnen, daß man die Drähte jeweils paarweise rechnerisch kombiniert und
die so berechneten Werte wiederum kombiniert Die Reihenfolge der Rombination ist
beliebig. Die Rechnung karm weiter dadurch vereinfacht werden, daß man die Drähte
mit untereinander gleichen Eigenschaften zu Gruppen zusammenfaßt, und diese Gruppen
dann wie Einzel adern miteinander kombinierts Natürlich können nicht nur Ausgleichsleitungen
fur Nickelchrom-Nickel-Thermoelemente und Platinrhodium-Platin-Thermoelemente sondern
auch Ausgleichsleitungen für alle anderen Thermopaare erfindungsgemäß ausgestaltet
werden.