DE2758084A1

DE2758084A1 - Temperaturmessfuehler

Info

Publication number: DE2758084A1
Application number: DE19772758084
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dipl Ing Woerner
Original assignee: INSTITUT fur KERNTECHNIK und ENERGIEWANDLUNG EV
Current assignee: INSTITUT fur KERNTECHNIK und ENERGIEWANDLUNG EV
Priority date: 1977-12-24
Filing date: 1977-12-24
Publication date: 1979-06-28
Also published as: GB2011169A

Description

Die Erfindung betrifft einen TemperaturmeOfuhler mit einem Thermoelement.

Die Temperaturmessung mit Thermoelementen beruht darauf, daß die von einem Thermoelement abgegebene Thermospannung eine eindeutige Funktion der Temperaturdifferenz zwischen Meßstelle und Vergleichsstelle ist. Diese Funktion wird bei der Eichung des Thermoelements ermittelt. Die Eichkurve eines Thermoelements unterliegt jedoch gewissen Änderungen durch Fremdeinflüsse, die eine besondere Eichung

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oder Nacheichung am Meßort wünschenswert machen. Hierzu gehört einmal die Alterung eines Thermoelements, d.h. die Änderung der Thermospannung während der Betriebsdauer. Da die Werkstoffe für die Thermoelemente je nach Hersteller im Rahmen der zugelassenen Toleranzen differieren, kann auch die Alterung unterschiedlich verlaufen. Die Alterung ist beispielsweise auf Umkristallisation, Kornwachstum oder chemische Veränderungen in den Thermodrähten, Materialdiffusion an der Lötstelle oder mechanische Einwirkungen zurückzuführen. Die hierdurch auftretenden Meßfehler liegen in der Größenordnung einiger °c. Inhomogenitäten der Thermoschenkel, z.B. durch geänderte chemische Zusammensetzung oder Gefügeänderungen wirken sich auf die Meßgenauigkeit allerdings nur dann aus, wenn sie im Bereich eines Temperaturgradienten liegen. Bei Anordnungen mit elektrisch oder induktiv beheizten Meßobjekten kann es vorkommen, daß Fremdspannungen von der Heizwicklung auf das Thermoelement übertragen, beispielsweise induziert werden, wodurch die Thermospannung verfälscht wird. Je nach Meßanordnung können hierdurch Fehler in der Größenordnung von 10 ⁰C hervorgerufen werden. Insbesondere bei hohen Temperaturen tritt ein weiterer Fehler auf, der auf eine Erniedrigung des Isolationswiderstandes und eine Erhöhung des Leitungswiderstandes zurückzuführen ist. Einen recht erheblichen Einfluß auf die Meßgenauigkeit von Thermoelemen-

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ten haben schließlich Neutronen und Gammastrahlen. Durch die Absorption von thermischen Neutronen wird die Zusammensetzung der Thermoelementwerkstoffe geändert, was eine Änderung der Thermospannung zur Folge hat. So ergeben sich beispielsweise bei einem Wolfram-Rhenium-Thermoelement unter Neutronenbeschuß schon nach einem Monat Fehlmessungen von annähernd 90⁰C. Elastische Stöße durch schnelle Neutronen verändern das Kristallgefüge des ThermomateriaIs. Auch die Isolationswiderstande der zur Isolation der Thermodrähte verwendeten Metalloxyde verschlechtern sich unter Neutronenbestrahlung.

Thermoelemente werden üblicherweise in einer besonderen Eichapparatur unter Verwendung eines Schmelzbades zur Einstellung einer Fixtemperatur geeicht. Dagegen ist eine Eichung am Meßort bisher nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturmeßfühler der eingangs angegebenen Art zu schaffen, dessen Thermoelement am Meßort geeicht und hinsichtlich seiner Eichgenauigkeit überwacht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der Temperaturmeßfühler einen mit dem Thermoelement in thermischem Kontakt stehenden, am Meßobjekt an-

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bringbaren Körper enthält, der mindestens ein im Temperatur-Meßbereich des Thermoelements einen Phasenumwandlungspunkt aufweisendes Material enthält oder aus einem solchen Material besteht. Zweckmäßig weist der Körper und das Phasenwechselmaterial einen Bruchteil der Wärmekapazität des Meßobjekts und ein Mehrfaches der Wärmekapazität des Thermoelements auf.

Der Körper besteht bevorzugt aus einer auf das Thermoelement aufsteckbaren Kapsel, die einen Hohlraum zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials enthält. Aus Herstellungsgründen ist es vorteilhaft, wenn die Kapsel aus zwei miteinander verschweißten, verlöteten oder verklebten Teilen besteht, von denen der eine Teil den Hohlraum zur Aufnahme des Phasen-

aufweist

wechselmaterials/und der andere Teil einen den Hohlraum verschließenden, eine Bohrung zum Einstecken des Thermoelements enthaltenden Stöpsel bildet. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Zur Vorbereitung einer Temperaturmessung wird der erfindungsgemäße Temperaturmeßfühler mit seiner die eine Lötstelle des Thermoelements aufnehmenden Kapsel am Meßobjekt befestigt. Beim Aufheizen des Meßobjekts steigt die Temperatur der Kapsel allmählich an, was sich in einem stetigen Anstieg der Thermospannung äußerst. Wird im Laufe des Temperaturanstiegs der

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Phasenumwandlungspunkt, z.B. der Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials erreicht, so bleibt die Temperatur innerhalb der Kapsel über eine gewisse Zeit konstant, bis die Phasenumwandlung abgeschlossen ist. Die über das Thermoelement aufgenommene Thermospannung bleibt über diese Zeit konstant und entspricht dem durch den Phasenumwandlungspunkt definierten Temperaturfixpunkt. Nach Abschluß der Phasenumwandlung gleicht sich die Temperatur der Kapsel wieder derjenigen des Meßobjekts an. Das in der aufgenommenen Meßkurve deutlich erkennbare Plateau stellt ein Signal dar, das im Hinblick auf die Zuordnung zu einem Temperaturfixpunkt zur Eichung des Thermoelements verwendet werden kann. Auch in umgekehrter Richtung erscheint in der Abkühlkurve ein Signal, das auf die Phasenumwandlung hinweist. Da im Falle einer Erstarrung aus der Schmelze leicht eine Unterkühlung der Schmelze eintritt, bevor der Erstarrungsprozeß stattfindet, ist das betreffende Signal nicht in jedem Falle reproduzierbar. Zur Verbesserung der Reproduzierbarkeit können unter Umständen Vorkehrungen zur Auslösung der Keimbildung in der Schmelze beitragen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1-5 verschiedene Ausführungsbeispiele eines Temperaturmeßfühlers in geschnittener Darstellung;

Fig. 6 Thermospannung bzw. Thermospannungsdifferenz in Abhängigkeit von der Zeit bei variabler Objekttemperatur ,9 3 9826/0477

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Die in den Fig. 1 und 2 gezeigten Temperaturraeßfiihler bestehen aus einem Mantelthermoelement 2 und einer die eine Lötstelle 4 des Thermoelements aufnehmenden, am Meßobjekt befestigbaren zweiteiligen Kapsel 6. Die beiden Teile 8,10 der Kapsel 6 begrenzen einen Hohlraum 12, der ein Material 14 enthält, das im Temperaturmeßbereich des Thermoelements einen Phasenumwandlungspunkt, z.B. seinen Schmelzpunkt aufweist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 bestehen die Kapselteile 8,10 aus einem hochtemperaturfesten Metall, wie Tantal oder Molybdän. Nach Einfüllen des Phasenwechselmaterials 14 werden die Kapselteile 8,10 unter Vakuum in einer Elektronenstrahlschweißmaschine miteinander verschweißt, Die in der Nähe der Schweißnaht 16 befindlichen Umfangsnuten 18,20 sorgen dafür, daß die Wärme beim Schweißvorgang auf die Schweißnaht konzentriert wird. Die Tantalkapsel dient zur Aufnahme von Silber mit einer Schmelztemperatur von 961,9°C, während die Molybdänkapsel bevorzugt zur Aufnahme von Antimon mit einer Schmelztemperatur von 630.7°C bestimmt ist.

Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Kapsel aus Graphit, deren Teile 8,10 an der Berührungsstelle 22 mit einem graphitierenden Kleber miteinander verbunden sind. Die Graphitkapsel 6 eignet sich

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vor allem zur Aufnahme von Zink als Phasenwechselmaterial 14, dessen Schmelzpunkt bei 419,6°C liegt.

Weitere Phasenwechselmaterialien, die in einer Kapsel 6 entsprechend Fig. 1 oder 2 verwendet werden können und deren Schmelzpunkt je einen Temperaturfixpunkt definiert, sind u.a. Zinn (Schmelztemperatur 232,0⁰C). Wismut (271,4°C), Cadmium (321,1°C), Blei (327,5°C), Kupfer-Alumium-Eutektikum (548,2°C), Aluminium (660.4⁰C), Gold (1064.4⁰C), Kupfer (1084,5OC).

Die beiden Ausführungsbeispiele gemäß Fig. 3 und 4 bestehen aus zwei thermisch voneinander weitgehend entkoppelten, miteinander verbundenen Körpern, die jeder ein Thermoelement 34,36 enthalten und von denen zumindest einer ein Phasenwechselmaterial enthält oder aus einem solchen besteht. Im Falle des in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiels sind die beiden Körper an der Ringnaht 38 miteinander verschweißt, während beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ein gemeinsames Mantelrohr 40 vorgesehen ist, mit dem die Körper 30,32 an den Ringnähten 42, 44 verschweißt sind. Die Thermoelemente sind an den Schenkeln 46 gleicher Polarität miteinander verbunden, so daß an den Schenkeln 48 die Differenz zwischen den beiden Thermospannungen unmittelbar gemessen werden kann. Von den beiden Körpern kann einer beispielsweise aus Eisen

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mit Haltepunkten bei 721, 768, 906, 1401, 1528 °C, aus Nickel mit einem Haltepunkt bei 355 ⁰C oder Kobalt mit einem Haltepunkt bei 1115 °C bestehen.

Bei dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel befindet sich die Lötstelle 4 des Thermoelements in einem am Stöpsel angeformten, in den Hohlraum eingreifenden und vom Phasenwechselmaterial umgebenen kegelstumpfförmigen Zapfen 50. Dadurch wird ein besserer thermischer Kontakt der Lötstelle 4 mit dem Phasenwechselmaterial 14 und damit eine deutlichere Hervorhebung der Temperaturhaltepunkte in den Meßkurven erzielt. Eine weitere Verbesserung in dieser Hinsicht stellt die Hülle 52 dar, die den Wärmeübergang vom Meßobjekt zum Phasenwechselmaterial reduziert und dadurch die Phasenumwandlung verzögert. Diese Konstruktion hat sich besonders bei kleiner Bauweise des Temperaturfühlers mit entsprechend kleinem Inhalt an Phasenwechselmaterial sowie bei Meßanordnungen bewährt, bei denen der Temperaturfühler an seiner Mantelfläche einen guten Wärmekontakt mit dem Meßobjekt besitzt.

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In dem Diagramm gemäß Fig. 6 zeigen die Kurve I den zeitlichen Verlauf der Thermospannung eines thermisch an ein Phasenwechselmaterial gekoppelten Thermoelements, die Kurve II den Verlauf der Thermospannung eines normalen Thermoelements und die Kurve III die Differenz zwischen den beiden Kurven I und II jeweils bei variierender Temperatur des Meßobjekts. Die Meßkurven I und II wurden mit gleichen Thermoelementen aufgenommen; aus Gründen der Übersichtlichkeit sind die beiden Kurven in Richtung der Ordinate parallel versetzt gezeichnet.

Die mit einem üblichen Thermoelement ohne Kopplung an ein Phasenwechselmaterial aufgenommene Kurve II ist proportional zum Temperaturverlauf des Meßobjekte. Auch die Kurve I weist über weite Bereiche einen zur Temperatur an der Meßstelle proportionalen Verlauf auf. Darüberhinaus ist in dieser Kurve im ansteigenden Zweig a ein Plateau S^ mit konstanter Thermospannung und im abnehmenden Teil b ein kurzzeitiger Anstieg der Thermospannung S2 zu erkennen. Die dem Plateau zugeordnete Thermospannung (Haltepunkt H) entspricht dem Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials. Während des Schmelzvorgangs bleibt die Temperatur in dem

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Phasenwechselmaterial konstant, so daß an dem mit dem Phasenwechselmaterial thermisch.gekoppelten Thermoelement über eine gewisse Zeit eine annähernd konstante Thermospannung gemessen wird. Der Phasenübergang von fest nach flüssig hat sich bei einer Vielzahl von Messungen als gut reproduzierbar erwiesen. Dagegen tritt bei der Erstarrung aus der flüssigen Phase zunächst eine Unterkühlung unter den Erstarrungspunkt ein, bis der Erstarrungsprozeß unter Aufheizung des Materials einsetzt. Dieser Effekt ist an dem plötzlichen Anstieg im abfallenden Zweig b (Abkühlkurve) der Kurve I zu erkennen, der bei einer Temperatur eintritt, die merklich unter derjenigen des Haltepunktes H liegt. Demnach stellt vor allem das Plateau Si■in der Aufheizkurve ein reproduzierbares, einer Fixtemperatur zugeordnetes Signal dar, anhand dessen das Thermoelement am Meßort geeicht werden kann. Um auch das Signal in der Abkühlkurve als Haltepunkt reproduzierbar zu machen, sind zusätzliche Vorkehrungen für die Keimbildung in der Schmelze erforderlich. Hierfür kommt insbesondere ein Zusatz von Körnern oder Spänen aus einem hochtemperaturfesten Material in Betracht, das mit dem Phasenwechselmaterial keine Legierung bildet.

Die Haltepunktsignale S₁ und S₂ sind noch deutlicher in der Kurve III markiert, die sich aus der Differenz zwischen den

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Ordinatenwerten der Kurven I und II ergibt und mit Hilfe von zwei Thermoelementen in Differenzschaltung entsprechend Fig. 3 oder 4 unmittelbar aufgenommen werden kann. Diese Darstellungs- und Verfahrensweise ist besonders dann zu
empfehlen, wenn die Aufheiz- bzw. Abkühlkurven einen komplizierten Verlauf haben und/oder die Signale als solche verhältnismäßig schwach ausgeprägt sind, wie dies z.B. bei Phasenumwandlungen in Festkörpern der Fall ist.

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Claims

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Ansprüche

1. Temperaturmeßfühler mit mindestens einem Thermoelement, gekennzeichnet durch einen mit der einen Lötstelle (4) des Thermoelements (2j 34,36) in thermischem Kontakt stehenden, am Meßobjekt anbringbaren Körper (6; 30,32), der mindestens ein im Temperaturmeßbereich des Thermoelements einen Phasenumwandlungspunkt aufweisendes Material (14) enthält oder aus einem solchen Material besteht.

2. Temperaturmeßfühler nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (6; 30,32) und das Phasenwechselmaterxal (14) einen Bruchteil der Wärmekapazität des Meßobjekts und ein Mehrfaches der Wärmekapazität des Thermoelements (2; 34,36) aufweist.

3. Temperaturmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Körper (6: 30,32) als auf das Thermoelement (2; 34,36) aufsteckbare Kapsel ausgebildet ist.

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4. Temperaturmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (6) einen Hohlraum (12) zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials (14) enthält.

5. Temperaturmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (6) aus zwei miteinander verbundenen Teilen (8,10) besteht, von dene der eine Teil (8) den Hohlraum (12) enthält und der andere Teil (10) einen den Hohlraum verschließenden, eine Bohrung zum Einstecken des Thermoelements (2) enthaltenden Stöpsel bildet.

6. Temperaturmeßfühler nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Teile (8,10) miteinander verschweißt, verlötet oder verklebt sind.

7. Temperaturmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (6) aus Tantal und das Phasenwechselmaterial (14) aus Silber besteht, wobei der Schmelzpunkt des Silbers den Temperaturfixpunkt bildet.

8. Temperaturmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (6) aus Molybdän und das Phasenwechselmaterial (14) aus Antimon besteht, wobei der Schmelzpunkt des Antimons den Temperatur fixpunkt bildet $ 0 9 8 2 6 / 0 4 7 7

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9. Temperaturmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (6) aus Graphit und das Phasenwechselmaterial (14) aus Zink besteht, wobei der Schmelzpunkt des Zinks den Temperaturfixpunkt bildet.

10. Temperaturmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper aus zwei thermisch weitgehend voneinander getrennten Teilen (30,32) besteht, in denen je ein Thermoelement (34,36) angeordnet ist und von denen mindestens einer aus einem Phasenwechselmaterial besteht.

11. Temperaturmeßfühler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß ein Teil (30,32) des Körpers aus Eisen, Nickel oder Kobalt besteht.

12. Temperaturmeßfühler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Thermoelemente (34,36) in Differenzschaltung miteinander verbunden sind.

13. Temperaturmeßfühler nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Lötstelle (4) des Thermoelements (2) in einem in das Phasenwechselmaterial (14) hineinragenden zapfenartigen Vorsprung (50) des Körpers (6) angeordnet ist.

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14. Temperaturmeßfühler nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichn et, daß der vorzugsweise kegelstumpfförmige Vorsprung (50) an dem den Hohlraum (12) verschließenden Stöpsel (10) angeordnet ist.

15. Temperaturmeßfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der das Phasenwechselmaterial (14) enthaltende oder aus diesem bestehende Teil des Körpers (6) zumindest teilweise von einer den Wärmeübergang zum Phasenwechselmaterial reduzierenden Hülle (40,52) umgeben ist.

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