DE3613501A1 - Process for anti-catalytic coating of thermocouples - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beschichtung der Oberfläche von Edelmetall-Thermoelementsonden mit einer antikatalytisch wirkenden Oxidkeramik, so daß diese Sonden für Messungen hoher Temperaturen in chemisch reagierenden Gasströmungen geeignet sind.The invention relates to a method for coating the surface of precious metal thermocouple probes with an anti-catalytic acting oxide ceramic, so these probes for measurements high temperatures in chemically reacting gas flows are.
Für die Messung von Temperaturfeldern in Gasströmungen mit hoher lokaler Auflösung werden heute neben den neueren berührungsfreien, jedoch teilweise recht aufwendigen optischen Methoden [1], weiterhin die klassischen Thermoelementsonden mit zum Teil stark miniaturisierten Schweißverbindungen eingesetzt [2]. Als vorteilhaft erweisen sich die geringen Kosten, die einfache Handhabung sowie die vielfältigen Verwendungsmöglichkeiten. Für den Einsatz in chemisch reagierenden Strömungen bei sehr hohen Temperaturen - diese Verhältnisse sind beispielsweise in Verbrennungssystemen bei der Verbrennung von Kohlenwasserstoffen gegeben - eignen sich besonders die hochschmelzenden Platin bzw. Platin/Rhodium-Thermopaarungen. Verwendet werden dabei die nach DIN 43 710 sowie IEC 584-1 erhältlichen Paarungen mit genormten Spannungsreihen. Diese sind in Tabelle 1 mit ihren maximalen Einsatztemperaturen und den zugehörigen Thermospannungen zusammengestellt.For the measurement of temperature fields in gas flows with high local resolution today, alongside the newer non-contact, however, sometimes quite complex optical methods [1], still the classic thermocouple probes, some of them strong miniaturized welded joints used [2]. As beneficial the low costs, the easy handling prove as well as the various possible uses. For use in chemically reacting currents at very high temperatures - These conditions are for example in combustion systems given in the combustion of hydrocarbons - are suitable especially the melting platinum or platinum / rhodium thermocouples. The ones according to DIN 43 710 and IEC are used 584-1 available pairings with standardized voltage series. These are in Table 1 with their maximum operating temperatures and the associated thermal voltages.
Aus den folgenden Gründen ist nun eine antikatalytisch wirkende Beschichtung dieser Edelmetallsonden unerläßlich: For the following reasons, it is now an anti-catalytic one Coating of these precious metal probes is essential:
Tab.1: Genormte Pt-Pt/Rh-Thermopaarungen (T ref = 0°C).Tab. 1: Standardized Pt-Pt / Rh thermocouples (T ref = 0 ° C).
- 1.) Durch Diffusion von Wasserstoff bzw. Kohlenstoff ins Platin bei Temperaturen von T <1400°C kann eine Verunreinigung der Legierung mit einer entsprechenden Dekalibrierung der Thermospannung verursacht werden. Als Folge ergeben sich stark reduzierte Einsatzzeiten [3].1.) Diffusion of hydrogen or carbon into the platinum at temperatures of T <1400 ° C can cause contamination of the alloy with a corresponding decalibration of the thermal voltage. As a result, there are greatly reduced operating times [3].
- 2.) Insbesondere durch Platin werden katalytische Einflüsse auf die Reaktionskinetik der Verbrennung ausgeübt. Die katalytische Wirkung der Platinoberfläche beruht dabei auf der Adsorption von Wasserstoff, der dabei aktiviert wird und erhöhte Reaktionsfähigkeit zeigt. Zündeffekte und lokale Temperaturerhöhungen in der Nähe der Meßsonde beeinflussen das Strömungsfeld erheblich und führen so zu starken Meßfehlern.2.) Especially through platinum are catalytic influences exerted on the reaction kinetics of the combustion. The The catalytic effect of the platinum surface is based on this on the adsorption of hydrogen, which thereby activates and shows increased responsiveness. Ignition effects and local temperature increases near the probe influence the flow field considerably and thus lead too strong measuring errors.
Die antikatalytisch wirkende Schicht hat verschiedene Anforderungen zu erfüllen:The anti-catalytic layer has various requirements to fulfill:
- 1.) Inertes Verhalten gegenüber dem Thermomaterial1.) Inert behavior towards the thermal material
- 2.) Inertes Verhalten gegenüber der chemisch reagierenden Strömung2.) Inert behavior towards the chemically reacting flow
- 3.) Hoher elektrischer Leitungswiderstand3.) High electrical line resistance
- 4.) Geringe Schichtdicke mit gasundurchlässiger Struktur bei glatter Oberfläche4.) Small layer thickness with gas impermeable structure with a smooth surface
- 5.) Keine Instabilität des Beschichtungsmaterials, insbesondere keine Kristallgitterveränderungen auch bei großen Temperaturschwankungen5.) No instability of the coating material, in particular no changes to the crystal lattice large temperature fluctuations
- 6.) Möglichst einfache Auftragetechnik ohne großen apparativen Aufwand6.) Application technique as simple as possible without great expenditure on equipment
- 7.) Nichttoxisches Beschichtungsmaterial7.) Non-toxic coating material
- 8.) Schmelztemperatur oberhalb derjenigen der verwendeten Pt-Pt/Rh-Legierung8.) Melting temperature above that of the used Pt-Pt / Rh alloy
- 9.) Geringe Beschaffungskosten9.) Low procurement costs
Bei dem heute sehr gebräuchlichen Beschichtungsverfahren mit Siliziumdioxid nach Kaskan [4, 2] können die Anforderungspunkte 1.), 8.) sowie mit Einschränkung 6.) nicht hinreichend erfüllt werden. Ein neueres, von Kent [3] beschriebenes Verfahren mit Berylliumoxid findet häufig wegen 7.) keine Verwendung.In the coating process that is very common today Silicon dioxide according to Kaskan [4, 2] can be the requirement points 1.), 8.) and with restriction 6.) not sufficiently fulfilled will. A newer method described by Kent [3] with Beryllium oxide is often not used because of 7.).
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein in sämtlichen Anforderungspunkten befriedigendes Beschichtungsmaterial auszuwählen und mit einer geeigneten Auftragetechnik so zu kombinieren, daß die o. a. Hauptvorteile der Thermoelementsonden (Kosten, Handhabung, Vielseitigkeit) erhalten bleiben.The invention is based on the object, one in all Satisfactory coating material to select and with a suitable application technique combine that the above Main advantages of thermocouple probes (Costs, handling, versatility) are retained.
Die Lösung der Aufgabe zeichnet sich dadurch als erfinderisch aus, daß zu den bisher betrachteten reinen Metalloxiden auch die sogenannten teil- und vollstabilisierten Metalloxide untersucht worden sind.The solution to the problem is thus inventive from that to the pure metal oxides considered so far, too the so-called partially and fully stabilized metal oxides were examined have been.
Als sehr gut geeignet erweist sich erfindungsgemäß Zirkoniumdioxid, dessen Eigenschaften durch Einbindung von Stabilisatoren (beispielsweise CaO oder Y₂O₃) gezielt verändert werden können. Wie dem Phasendiagramm ZrO₂-Y₂O₃ (Abb. 1) zu entnehmen ist, kann reines ZrO₂ hier nicht verwendet werden, da bei ca. 1200°C eine reversible Umwandlung der Gitterstruktur von monokliner nach tetragonaler Phase stattfindet. Gleichzeitig schwindet das Volumen um etwa 10%. Im teilstabilisierten Bereich (4,9 Mol-% < XY₂O₃ < 12,5 Mol-%) sowie im vollstabilisierten Bereich (XY₂O₃ < 12,5 Mol-%) lassen sich nun irreversible Kristallgitterstrukturen bilden, so daß bei Temperaturänderungen keine Volumensprünge mehr auftreten. Es ist bekannt, daß die kubischen Kristalle nach einmaliger Temperaturerhöhung auf ca. 1600°C unabhängig von der Temperatur stabil bleiben. Im teilstabilisierten Bereich kann das kubische Gitter den Phasensprung der monoklin-tetragonalen Restphase auffangen [5]. Somit ist das teilstabilisierte Zirkoniumdioxid mit geringer Stabilisatorkonzentration, dessen weitere physikalische Eigenschaften denen des reinen ZrO₂ vergleichbar sind, für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet.According to the invention, zirconium dioxide has proven to be very suitable, the properties of which can be changed in a targeted manner by incorporating stabilizers (for example CaO or Y₂O₃). As can be seen from the phase diagram ZrO₂-Y₂O₃ ( Fig. 1), pure ZrO₂ cannot be used here, since at 1200 ° C a reversible conversion of the lattice structure from monoclinic to tetragonal phase takes place. At the same time, the volume shrinks by about 10%. In the partially stabilized range (4.9 mol% <X Y₂O₃ <12.5 mol%) and in the fully stabilized range (X Y₂O₃ <12.5 mol%), irreversible crystal lattice structures can now be formed, so that there are no volume jumps when the temperature changes occur. It is known that the cubic crystals remain stable regardless of the temperature after a single temperature increase to approximately 1600 ° C. In the partially stabilized area, the cubic lattice can compensate for the phase shift of the monoclinic-tetragonal residual phase [5]. Thus, the partially stabilized zirconium dioxide with a low stabilizer concentration, the other physical properties of which are comparable to those of pure ZrO₂, is particularly suitable for the process according to the invention.
Eine zweckmäßige, ohne größeren apparativen Aufwand durchführbare Art der Beschichtung ist Gegenstand des Anspruchs 4. Dabei wird aus einem Pulver geringen Korndurchmessers (typisch z. B. d = 1 µm) mit aqua dest. sowie kleiner Beimengung eines organischen Binders ein Schlicker angerührt, dessen Fließfähigkeit die zu erzielenden Schichtdicken beeinflußt. Durch ein- oder mehrmaliges Eintauchen des Thermoelements in den Schlicker läßt sich eine gleichmäßige Schicht aufbringen, die anschließend austrocknen muß. Die Trocknungstemperatur sollte etwa 35°C nicht überschreiten, um eine Versprödung der Oberfläche zu vermeiden. In einer Wasserstoff-Sauerstoffflamme wird die Schicht gebrannt. Die Temperatur muß dabei 1600°C überschreiten. Die Kontrolle der fertiggestellten Schicht erfolgt unter einem Lichtmikroskop. Es können auf diese Weise Schichtdicken von ca. 10 µm erzielt werden.An expedient type of coating that can be carried out without major expenditure on equipment is the subject of claim 4. In this case, powder with a small grain diameter (typically, for example, d = 1 μm) is distilled with aqua dest. as well as small addition of an organic binder, a slip is stirred, the fluidity of which influences the layer thicknesses to be achieved. By immersing the thermocouple in the slip one or more times, a uniform layer can be applied, which must then dry out. The drying temperature should not exceed 35 ° C to avoid embrittlement of the surface. The layer is burned in a hydrogen-oxygen flame. The temperature must exceed 1600 ° C. The finished layer is checked under a light microscope. In this way, layer thicknesses of approx. 10 µm can be achieved.
Beispielhaft für die Eignung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Temperaturmessungen in einer laminaren, stöchiometrischen Methen-Luft-Vormischflamme unter Umgebungsdruckbedingungen gezeigt (Abb. 2). Verwendet wird ein Pt-Pt/Rh 87/13- Element mit einem Schweißperlendurchmesser von d P = 50 µm. Mit Beschichtung beträgt der Durchmesser des Elements d E = 70 µm. (Die die Schmelztemperatur der Legierung übersteigenden Temperaturangaben erklären sich aus den über Wärmebilanzen grundsätzlich durchzuführenden Temperaturkorrekturrechnungen.) As an example of the suitability of the method according to the invention, temperature measurements in a laminar, stoichiometric methene-air premixing flame are shown under ambient pressure conditions ( Fig. 2). A Pt-Pt / Rh 87/13 element with a weld bead diameter of d P = 50 µm is used. With coating, the diameter of the element is d E = 70 µm. (The temperature information exceeding the melting temperature of the alloy can be explained by the temperature correction calculations that are generally carried out via heat balances.)
- Literaturverzeichnisbibliography
- [1] Penner, S. S., Wang, C. P. and Bahadori, M.Y., Laser Diagnostics Applied to Combustion Systems 20th Symp. (International) on Combustion, 1984 pp 1149-1176[1] Penner, S. S., Wang, C. P. and Bahadori, M.Y., Laser Diagnostics Applied to Combustion Systems 20th Symp. (International) on Combustion, 1984 pp 1149-1176
- [2] Fristrom, R. M. and Westenberg, A. A. Flame Structure, Mc Graw-Hill, 1985[2] Fristrom, R.M. and Westenberg, A.A. Flame structure, Mc Graw-Hill, 1985
- [3] Kent, J. H., A Noncatalytic Coating for Platinium-Rhodium Thermocouples Combustion and Flame, 14, 1970[3] Kent, J.H. A Noncatalytic Coating for Platinium-Rhodium Thermocouples Combustion and Flame, 14, 1970
- [4] Kaskan, W. E., The Dependence of Flame Temperature on Mass Burning Velocity 6th Symp. (International) on Combustion, 1957 pp 134-143[4] Kaskan, W.E., The Dependence of Flame Temperature on Mass Burning Velocity 6th Symp. (International) on Combustion, 1957 pp 134-143
- [5] v. Mallinckrodt, D., Einfluß von Verunreinigung auf Sinterung und Stabilisierung von ZrO₂(CaO) Dissertation RWTH Aachen, 1981 [5] v. Mallinckrodt, D., Impact of contamination on sintering and stabilization from ZrO₂ (CaO) Dissertation RWTH Aachen, 1981
- [6] Stubican, V. S., Hink, R. C. and Ray, S. P., Phase Equilibria and Ordering in the System ZrO₂-Y₂O₃ J. Am. Ceram. Soc. 61, 1978, PP 17-21[6] Stubican, V. S., Hink, R. C. and Ray, S. P., Phase Equilibria and Ordering in the System ZrO₂-Y₂O₃ J. Am. Ceram. Soc. 61, 1978, PP 17-21
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19863613501 DE3613501A1 (en) | 1986-04-22 | 1986-04-22 | Process for anti-catalytic coating of thermocouples |
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Publication Number | Publication Date |
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DE3613501A1 true DE3613501A1 (en) | 1987-10-29 |
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DE19863613501 Withdrawn DE3613501A1 (en) | 1986-04-22 | 1986-04-22 | Process for anti-catalytic coating of thermocouples |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE3613501A1 (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3890060C2 (en) * | 1987-02-04 | 1990-08-16 | Mitsubishi Electric Corp | Vaporizable composition containing cttrium oxide, tina oxide and zirconium oxide and their use |
US7083329B2 (en) * | 2003-04-19 | 2006-08-01 | Haldor Topsoe A/S | Method of measuring high temperatures and instrument therefore |
CN107880598A (en) * | 2017-11-16 | 2018-04-06 | 华中科技大学 | A kind of platinum rhodium thermocouple surface anti-carbon coating of high adhesion force and preparation method thereof |
-
1986
- 1986-04-22 DE DE19863613501 patent/DE3613501A1/en not_active Withdrawn
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DE3890060C2 (en) * | 1987-02-04 | 1990-08-16 | Mitsubishi Electric Corp | Vaporizable composition containing cttrium oxide, tina oxide and zirconium oxide and their use |
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