DE3881206T2

DE3881206T2 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Temperatur mit einem Thermoelement.

Info

Publication number: DE3881206T2
Application number: DE88113705T
Authority: DE
Inventors: Hideo Kimura
Original assignee: Yamari Industries Ltd
Current assignee: Yamari Industries Ltd
Priority date: 1988-06-24
Filing date: 1988-08-23
Publication date: 1993-12-23
Anticipated expiration: 2008-08-24
Also published as: US4990193A; EP0347490A2; JPH0746062B2; EP0347490B1; DE3881206D1; JPH01321328A; US5038303A; EP0347490A3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen der Temperatur mit einem Thermoelement, wie etwa einem Keramikthermoelement, wobei beide Vergleichsstellen von ihm nicht auf derselben Temperatur gehalten werden können, in Fällen, in denen keine Kompensationsleitungsdrähte für das Thermoelement vorhanden sind, oder in denen, falls irgendein Kompensationsleitungsdraht für das Thermoelement besteht, er aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen schwierig herzustellen ist.
EP-A-0104336 beschreibt einen Thermoelementaufbau mit einem Thermoelement, das aus einem Leitungsdraht aus Borkarbid und einem Leitungsdraht aus Graphit besteht, mit einem Metallthermoelement, um die Temperatur einer der Vergleichsstellen zu kompensieren, und mit Zuleitungsdrähten zu den Thermoelementen, um Thermokräfte von den Thermoelementen zu entnehmen, wobei bei niedrigen Temperaturen die thermoelektromotorischen Charakteristiken des Leitungsdrahtmaterials und des Graphitleitungsdrahts übereinstimmen.
Die Beziehung zwischen der Grundstruktur eines Thermoelements und der von dem Thermoelement gemessenen thermoelektromotorischen Kraft ist begrifflich in Fig. 1 veranschaulicht. Das mit X bezeichnete Thermoelement umfaßt zwei verschiedene Metalle A und B, die an ihrem jeweiligen Ende zusammengefügt sind, um eine Meßstelle P zu bilden. Die anderen Enden der Metalle A und B werden auf 0ºC oder Zimmertemperatur gehalten, um Vergleichsstellen q und r zu bilden. In dem veranschaulichten Beispiel werden diese Enden der Metalle auf 0ºC gehalten. Wenn die Meßstelle P auf oder in dem zu testenden Material angebracht wird, wird zwischen den Vergleichsstellen q und r eine thermoelektromotorische Kraft ausgebildet. Diese Kraft wird gemessen, um die Temperatur zu bestimmen.
Das Diagramm aus Fig. 1 veranschaulicht begrifflich die Thermokraft, die zwischen den Vergleichsstellen q und r des Thermoelements X der vorstehend erwähnten Struktur erzeugt wird. Die thermoelektrische Leistung (in mV/ºC), d.h. die Änderungsrate der Thermokraft des Thermoelements mit der Temperatur ist gegen die Celsius-Skala aufgetragen. Die Temperatur der Meßstelle P beträgt T&sub0;. Die Thermokraft ist durch das Produkt aus der Differenz der thermoelektrischen Leistung zwischen zwei Drähten des Thermoelements und der Temperatur gegeben. Als ein Beispiel, entspricht die Thermokraft, die zwischen der auf T&sub0; ºC gehaltenen Meßstelle und der auf 0ºC gehaltenen Vergleichsstelle erzeugt wird, der Fläche des Diagrammabschnitts, der durch die thermoelektromotorischen Kennlinien der beiden Metalle des Thermoelements innerhalb des Temperaturbereichs von 0 bis T&sub0; ºC dargestellt wird. Die thermoelektromotorische Charakteristik ist eindeutig durch die Charakteristik der thermoelektrischen Leistung definiert. Wenn die beiden Metalle deshalb die gleiche thermoelektrische Leistungscharakteristik haben, besitzen sie dann die gleiche thermoelektromotorische Charakteristik. Die thermoelektrischen Leistungscharakteristiken (Fig. 1) der beiden Metalle A und B wurden mit Eichthermoelementen gemessen, von denen jedes einen Draht aus Platin als eines seiner Metalle besitzt, wie in Fig. 2 gezeigt ist.
In Fig. 1 ist die durch das Thermoelement X erzeugte Thermokraft durch den rechteckigen, schraffierten Bereich n&sub1;n&sub2;n&sub4;n&sub3; gekennzeichnet, der durch die thermoelektrischen Leistungskennlinien der beiden Metalle dargestellt wird, wie vorstehend erwähnt ist.
Fig. 3 veranschaulicht ein Verfahren, das in Fällen angenommen wird, in denen die Meßstelle P von einem Meßinstrument entfernt liegt, oder in denen lange Metalldrähte, die miteinander verbunden sind, um ein Thermoelement zu bilden, aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen schwierig herzustellen sind. Kompensationsleitungsdrähte A' und B' sind jeweils mit den Vergleichsstellen q und r des Thermoelements X verbunden. Die Drähte A' und B' bestehen aus verschiedenen Materialien mit thermoelektromotorischen Charakteristiken, die bei niedrigen Temperaturen mit den thermoelektromotorischen Charakteristiken der beiden Metalle A und B übereinstimmen. Die jeweils zwischen den offenen Enden q' und r' der Kompensationsleitungsdrähte A' und B' gemessene Thermokraft entspricht der Fläche des Abschnitts n&sub1;n&sub2;n&sub4;n&sub3;. In diesem Beispiel beträgt die Temperatur der Meßstelle P des Thermoelements X T&sub0;. Die Vergleichsstellen q und r liegen auf der gleichen Temperatur T&sub1;. Deshalb entspricht die von dem Thermoelement X unmittelbar erzeugte Thermokraft der Fläche des Abschnitts, der durch die thermoelektromotorischen Kennlinien der beiden Metalle A und B im Temperaturbereich von T&sub0; bis T&sub1; dargestellt ist, d.h. der Abschnitt n&sub5;n&sub2;n&sub4;n&sub6;. Die dem verbleibenden Abschnitt n&sub1;n&sub5;n&sub6;n&sub3; entsprechende Thermokraft wird von den Kompensationsleitungsdrähten A' und B' kompensiert. Da die thermoelektrischen Leistungscharakteristiken der Drähte A' und B' bei niedrigen Temperaturen mit den thermoelektrischen Leistungscharakteristiken der beiden Metalle A und B übereinstimmen, erzeugt die Verbindung der Leitungsdrähte A' und B' mit den Metallen A und B keine weitere Thermokraft. Folglich kann die Temperatur der Meßstelle genau gemessen werden.
Gemäß Fig. 4 sind nicht Kompensationsleitungsdrähte mit den Vergleichsstellen q und r des Thermoelements X verbunden, sondern ein aus Metallen bestehendes Hilfsthermoelement Y ist mit einer der beiden Vergleichsstellen q oder r verbunden, um die Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur zu schaffen. Da die Vergleichsstellen q und r auf der gleichen Temperatur liegen, kann das Hilfsthermoelement Y mit irgendeiner der Vergleichsstellen q und r verbunden werden. Das Hilfsthermoelement Y arbeitet als Einrichtung, um ein Meßinstrument mit der Vergleichsstelie q oder r zu verbinden, aber es entwickelt keine Thermokraft. Die zwei Drähte R des Hilfsthermoelements bestehen aus dem gleichen Material. In diesem Fall entspricht die zu messende Thermokraft der Fläche des Abschnitts n&sub1;n&sub2;n&sub4;n&sub3;. Dieser Abschnitt ist bei einer Temperatur T&sub1; in einen Bereich n&sub5;n&sub2;n&sub4;n&sub6; und einen Bereich n&sub1;n&sub5;n&sub6;n&sub3; aufgeteilt. Die der Fläche des Bereichs n&sub5;n&sub2;n4n&sub6; entsprechende Thermokraft wird unmittelbar von dem Thermoelement X gemessen. Hinsichtlich des verbleibenden Bereichs n&sub1;n&sub5;n&sub6;n&sub3; wird die Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur durch das Hilfsthermoelement Y geschaffen. Die Meßstellentemperatur des Hauptthermoelements X ist die Summe der von dem Hauptthermoelement X gemessenen Temperatur und der Meßstellentemperatur des Hilfsthermoelements Y, die von dem Hilfsthermoelement Y gemessen wird. Bis jetzt sind die herkömmlichen Thermoelemente zusammengefaßt worden. Diese Geräte sind ursprünglich verwendet worden, um Temperaturen von Materialien unterhalb von 2000ºC zu messen.
In den letzten Jahren strebt die Industrie danach, Messungen höherer Temperaturen, die bei der Wärmebehandlung, wie etwa HIP und Heißpressen, verwendet werden, zu fordern. Gegenwärtig gibt es eine Nachfrage nach einem Thermoelement, das in der Lage ist, hohe Temperaturen, die 2000 ºC übersteigen, zu messen. Ein Wolfram/Wolfram-Rhenium-Thermoelement und andere Thermoelemente sind verfügbar gewesen, um derartige, sehr hohe Temperaturen zu messen. Diese herkömmlichen Thermoelemente zeigen jedoch geringe mechanische Festigkeit, und daher brechen sie leicht. Außerdem leidet der Betrieb aufgrund der Drift der Thermokraft unter Unbeständigkeiten. Ferner besitzen sie den grundlegenden Nachteil, daß sie aufgrund metallurgischer Probleme über eine längere Dauer nicht stabil verwendet werden können. Bei einem Versuch, dieses Problem zu lösen, wurden in den 1950iger Jahren Thermoelemente hergestellt, die aus einer Zusammensetzung aus Halbleiterkeramiken, wie etwa B&sub4;C/C (Graphit), C (Graphit)/ZrB&sub2; und C (Graphit)/TiC, bestehen, die bei hohen Temperaturen stabil sind, um zuverlässige Temperaturmessungen zu ermöglichen. Als Ergebnis davon sind jetzt allmählich ausgezeichnete Keramikthermoelemente kommerziell verfügbar geworden. Jedoch müssen noch verschiedene Probleme gelöst werden, um hohe Temperaturen mit Keramikthermoelementen, wie unten beschrieben, zu messen.
(1) Da Keramikthermoelemente höhere Thermokräfte als die herkömmlichen Metallthermoelemente erzeugen, sind geeignete Kompensationsleitungsdrähte zur Schaffung der Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur nicht vorhanden, oder wenn sie existieren, sind sie aus technischen oder wirtschaftlichen Gründen schwierig herzustellen. Folglich sind keine in der Praxis verwendbaren Kompensationsleitungsdrähte verfügbar.
(2) Deshalb ist es notwendig, die Vergleichsstellen, von denen eine Thermokraft entnommen wird, unter Verwendung einer Kühleinrichtung mit Wasser oder mit Luft zu kühlen. Somit wird die Temperatur der Vergleichsstelle gleichmäßig eingestellt, und die Vergleichsstellen sind temperaturkompensiert.
(3) Da bei der Herstellung Beschränkungen auferlegt sind, können lange Keramikthermoelemente nicht hergestellt werden. Dies erzwingt die Verwendung kurzer Keramikthermoelemente. Wenn ein derartig kurzes Keramikthermoelement verwendet wird, während die Vergleichsstellen erzwungener Kühlung ausgesetzt sind, erreicht die Kühlwirkung der Wasser- oder Luftkühlung die Meßstelle, da die zwei Elemente des Thermoelements kurz sind. Die Temperatur der Meßstelle kann niedriger gestaltet werden als die Temperatur des zu testenden Materials. Das Ergebnis ist, daß ein Fehler in die gemessene Temperatur eingeführt wird. Außerdem, wenn die Vergleichsstellen erzwungener Kühlung ausgesetzt werden, wird eine Temperaturdifferenz zwischen den Vergleichsstellen erzeugt, da sich die zwei Elemente des Thermoelements in der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit unterscheiden. Folglich schließt die gemessene Temperatur einen Fehler mit ein.
Zudem unterscheiden sich die Keramikthermoelemente stark in der thermoelektromotorischen Charakteristik und deshalb sollten Kompensationen unter Berücksichtigung der Charakteristiken einzelner Keramikthermoelemente durchgeführt werden, wenn die erhaltenen Thermokräfte in Temperatur umgerechnet werden. Jedoch ist überhaupt kein Konverter gefunden worden, der geeignete Übertragungstabellen festsetzen kann, die zur Umrechnung der Thermokraft in Temperatur gemäß jedem einzelnen Keramikthermoelement verwendet wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist eine erste Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur genauen Messung von Temperaturen, insbesondere von hohen Temperaturen, mit einem Keramikthermoelement in Fällen bereitzustellen, in denen keine Kompensationsleitungsdrähte für das Thermoelement vorhanden sind, oder in denen, falls irgendein Kompensationsleitungsdraht besteht, er schwierig herzustellen ist.
Es ist eine zweite Aufgabe der Erfindung, ein Keramikthermoelement bereitzustellen, das das gerade oben beschriebene Verfahren durchführt.
Es ist eine dritte Aufgabe der Erfindung, einen Konverter bereitzustellen, der die Thermokraft, die von dem in dem vorgehenden Abschnitt beschriebenen Thermoelement erzeugt wird, in Temperatur umrechnet.
Es ist noch eine andere Aufgabe der Erfindung, einen Konverter bereitzustellen, der Thermokraft in Temperatur umrechnet und für verschiedene Keramikthermoelemente mit unterschiedlichen thermoelektromotorischen Charakteristiken verwendet werden kann.
Diese Aufgaben werden mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst, insbesondere durch Befestigung eines Metallthermoelements an eine der Vergleichsstellen eines Hauptthermoelements und Herstellung von Leitungsdrähten, die mit den Vergleichsstellen des Hauptthermoelements verbunden sind und aus einem Material mit einer thermoelektromotorischen Charakteristik bestehen, die bei niedrigen Temperaturen mit der thermoelektromotorischen Charakteristik des gegenüber dem Metallthermoelement, auf das sich nachstehend als Hilfsthermoelement bezogen wird, angebrachten Leitungsdrahts übereinstimmt. Die Meßstelle des Hauptthermoelements wird auf oder in dem zu testenden Material angebracht. Das Hilfsthermoelement wird verwendet, um Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur zu schaffen. Die mit den Vergleichsstellen verbundenen Leitungsdrähte werden verwendet, um die Thermokraft zu entnehmen.
Die dritte Aufgabe wird mit einem Konverter erzielt, der interpolationsgleichungen (1) und (2) getrennt aufstellen kann, um Thermokraft in Temperatur umzuformen, und der es gestattet, Konstanten, die die Interpolationsgleichungen (1) und (2) bestimmen, gemäß der Charakteristiken des verwendeten Thermoelements angemessen zu bestimmen. Die Interpolationsgleichung (1) wird verwendet, um die von dem Hilfsthermoelement erzeugte Thermokraft in Thermokraft des Hauptthermoelements umzurechnen. Die Interpolationsgleichung (2) wird angewendet, um die von dem Hauptthermoelement erzeugte Thermokraft in Temperatur umzureennen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist ein begriffliches Diagramm, das die Beziehung zwischen der Struktur eines herkömmlichen Thermoelements und der von dem Thermoelement erzeugten Thermokraft veranschaulicht;
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung, die ein Verfahren zur Messung von thermoelektrischen Leistungscharakteristiken veranschaulicht;
Fig. 3 ist ein begriffliches Diagramm, das die Beziehung zwischen der Struktur eines Thermoelements mit Kompensationsleitungsdrähten und der von dem Thermoelement erzeugten Thermokraft veranschaulicht;
Fig. 4 ist ein begriffliches Diagramm, das die Beziehung zwischen der Struktur eines zusammengesetzten Thermoelements, dessen eine Vergleichsstelle durch ein Hilfsthermoelement kompensiert wird, und der von dem zusammengesetzten Thermoelement erzeugten Thermokraft veranschaulicht;
Fig. 5 (i) ist eine perspektivische Ansicht eines B&sub4;C/C- Thermoelements;
Fig. 5 (ii) ist eine schematische Darstellung eines Heizofens, in den das in Fig. 5 (i) gezeigte Thermoelement eingesetzt wird, um die Meßgenauigkeit des Thermoelements zu diskutieren;
Fig. 5 (iii) ist eine schematische Darstellung des in Fig. 5 (i) gezeigten B&sub4;C/C-Thermoelements, um die Struktur des Thermoelements zu zeigen;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das die Änderungen der Temperatur der Meßstelle P des in Fig. 5(i) gezeigten B&sub4;C/C-Thermoelements und der Temperatur der beiden Vergleichsstellen zeigt;
die Fign. 7 (i)-(iv) sind begriffliche Diagramme, die das Prinzip der Erfindung veranschaulichen;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Meßergebnisse der thermoelektromotorischen Charakteristiken verschiedener metallischer Materialien zeigt, um Materialien für Zuleitungsdrähte auszuwählen;
Fig. 9 ist eine schematische Darstellung eines zusammengesetzten B&sub4;C/C-Thermoelements, das auf experimenteller Grundlage in Übereinstimmung mit der Erfindung hergestellt wurde, um die Vorteile des Thermoelements darzulegen;
die Fign. 10 (i) und 10 (ii) sind Diagramme, die die Ergebnisse von Messungen zeigen, die durchgeführt wurden, um die Stabilität des in Fig. 9 gezeigten zusammengesetzten B&sub4;C/C- Thermoelements zu untersuchen, während die Temperatur an der Vergleichsstelle des Graphitleitungsdrahts des Thermoelements verändert wird;
Fig. 11 ist eine perspektivische Ansicht von Hauptabschnitten eines speziellen Beispiels eines zusammengesetzten B&sub4;C/C-Thermoelements gemäß der Erfindung;
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm, das eine Abfolge arithmetischer Operationen veranschaulicht, die durchgeführt werden, um aus der Thermokraft des Thermoelements die Temperatur an der Meßstelle des zusammengesetzten B&sub4;C/C-Thermoelements zu berechnen; und
Fig. 13 ist ein Aufriß eines Konverters gemäß der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen

Bevor die Erfindung im Detail beschrieben wird, werden jetzt einige Fachausdrücke definiert, um Verwirrung zu vermeiden.

thermoelektrische Leistung:

Die Änderungsrate der Thermokraft eines Thermoelements mit der Temperatur. Die Thermokraft ist das Produkt aus der thermoelektrischen Leistung und der Temperatur. Deshalb sind diejenigen thermoelektrischen Materialien, die die gleiche thermoelektrische Leistungscharakteristik besitzen, in der thermoelektromotorischen Charakteristik identisch.

Hauptthermoelement:

Ein Thermoelement, dessen Meßstelle in oder auf einem zu untersuchenden Material angeordnet ist. In der Beschreibung bezieht es sich auf ein Keramikthermoelement. In den veranschaulichten Beispielen der Erfindung bezieht es sich auf ein B&sub4;C/C-Thermoelement.

Drähte des Thermoelements:

Leitungsdrähte, die ein Hauptthermoelement bilden. In den Fign. 3 und 4 sind die Leitungsdrähte eines Thermoelements mit A und B bezeichnet. In den veranschaulichten Beispielen der Erfindung entsprechen ein Leitungsdraht aus Borkarbid (B&sub4;C) und ein Leitungsdraht aus Graphit (C) dieser Definition.

Vergleichsstellen:

Die Drahtenden des Hauptthermoelements, die auf einer niedrigeren Temperatur liegen. Diese Kontakte werden verwendet, um die von einem Hauptthermoelement erzeugte Thermokraft zu entnehmen. Kompensationsleitungsdrähte und Zuleitungsdrähte werden aus diesen Lötstellen herausgeführt. In den Fign. 3 und 4 bezeichnen q und r Vergleichsstellen. In den Beispielen, in denen ein B&sub4;C/C-Thermoelement verwendet wird, sind ein Ende des Leitungsdrahts aus B&sub4;C und ein Ende des Leitungsdrahts aus Graphit Vergleichsstellen.

Hilfsthermoelement:

Ein an einer Vergleichsstelle eines Hauptthermoelements befestigtes Thermoelement, um Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur zu schaffen. Die thermoelektromotorische Charakteristik des Hilfsthermoelements ist bekannt. In der Beschreibung bezieht es sich auf ein Metallthermoelement.

zusammengesetztes Thermoelement:

Ein Thermoelement, das aus einem Hauptthermoelement und einem Hilfsthermoelement besteht, das die Temperatur einer Vergleichsstelle des Hauptthermoelements kompensiert.

Kompensationsleitungsdrähte:

Leitungsdrähte, von denen einer zwischen einer Vergleichsstelle eines Hauptthermoelements und einem Meßinstrument verbunden ist, und der andere Draht zwischen der anderen Vergleichsstelle und dem Meßinstrument verbunden ist. Die Materialien der Kompensationsleitungsdrähte besitzen thermoelektromotorische Charakteristiken, die bei niedrigen Temperaturen mit den thermoelektromotorischen Charakteristiken der Drähte des Hauptthermoelements übereinstimmen. In Fig. 3 bezeichnen A' und B' Kompensationsleitungsdrähte. Deshalb bestehen die Kompensationsleitungsdrähte A' und B' aus verschiedenen Materialien.

Zuleitungsdrähte:

Leitungen, die von beiden Vergleichsstellen eines Hauptthermoelements zu einem entfernt angeordneten Meßinstrument führen, um beide Vergleichsstellen mit dem Meßinstrument elektrisch zu verbinden. Die Zuleitungsdrähte sollten einen kleinen Widerstand besitzen und niedriges thermisches tauschen erzeugen. In Fig. 4 sind Zuleitungsdrähte mit R bezeichnet und bestehen aus dem gleichen Material.
Die vorliegende Erfindung wird auf Thermoelemente, wie etwa Keramikthermoelemente, angewendet. Das heißt, es ist schwierig, sie lang zu gestalten. Sie besitzen keine Kompensationsleitungsdrähte. Erzwungene Kühlung ist zum Kühlen ihrer Vergleichsstellen nicht geeignet.
Ein bekanntes Thermoelement, das unter diesen Bedingungen verwendet werden kann, ist in Fig. 4 gezeigt, bei dem ein metallisches Hilfsthermoelement Y mit einer der Vergleichsstellen q und r eines Hauptthermoelements X verbunden ist, um Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur zu schaffen. Der Erfinder führte Experimente durch, um sicherzustellen, ob eine genaue Messung hoher Temperaturen mit diesem bekannten Verfahren durchgeführt werden kann. Gemäß Fig. 5 (i) wurde ein stabförmiges Bauteil 2 aus Borkarbid (B&sub4;C) in ein zylindrisches Bauteil 1 aus Graphit (C) eingesetzt. Beide Bauteile wurden an ihren Vorderenden zusammengefügt, um ein keramisches Hauptthermoelement mit einer Meßstelle P zu bilden. Die Gesamtlänge des Hauptthermoelements betrug 500 mm. Ein Hilfsthermoelement Y wurde mit dem Leitungsdraht aus B&sub4;C des Hauptthermoelements verbunden, um ein zusammengesetztes Thermoelement zu bilden. Wie in Fig. 5 (ii) gezeigt ist, wurde das zusammengesetzte Thermoelement 350 mm tief in einen Heizofen 3 eingesetzt. Die Temperatur in dem Ofen wurde mehrmals unter den gleichen Bedingungen gemessen. Die Temperatur in dem Ofen wurde auf 2000 ºC erhöht. Es wurde herausgefunden, dar die Ergebnisse der Messungen beträchtlich variierten und trotz der Tatsache, daß die Messungen unter gleichen Bedingungen ausgeführt wurden, eklatante Fehler beinhalteten. Der Erfinder untersuchte gewissenhaft den Grund und es gelang ihm, ihn herauszufinden.
Bei dem Verfahren, Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur mit einem Hilfsthermoelement zu schaffen, wird angenommen, daß beide Vergleichsstellen q und r auf der gleichen Temperatur liegen, wie bereits in Verbindung mit Fig. 4 beschrieben worden ist. In der Praxis ist jedoch die Temperatur an der Vergleichsstelle aus Graphit (C) immer höher als die Temperatur an der Vergleichsstelle aus Borkarbid (B&sub4;C), wie in Fig. 6 gezeigt, da B&sub4;C und C sich in der Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit unterscheiden. Folglich wird eine Temperaturdifferenz zwischen den Vergleichsstellen q und r hervorgerufen, und somit ein Fehler erzeugt. Ferner variiert die Temperaturdifferenz, und daher stimmen die gemessenen Temperaturen nicht überein. Folglich ist die Reproduzierbarkeit gering.
Die Weise, in der Zuleitungsdrähte mit den Vergleichsstellen der Leitungsdrähte aus B&sub4;C und Graphit verbunden sind, während eine Temperaturdifferenz zwischen den Vergleichsstellen erzeugt wird, ist begrifflich in Fig. 7 (i) veranschaulicht. Insbesondere in dem Bereich von der Temperatur T&sub0; der Meßstelle bis zu der Temperatur T&sub2; der Vergleichsstelle des Graphitleitungsdrahts erzeugt das B&sub4;C/C-Hauptthermoelement eine Thermokraft. In dem Bereich von T&sub2; bis T&sub1; wird eine Thermokraft zwischen einem Zuleitungsdraht R und dem Leitungsdraht aus B&sub4;C ausgebildet. Die Summe dieser beiden Thermokräfte wird zwischen den Enden der Zuleitungsdrähte gebildet, zwischen die ein Meßinstrument geschaltet ist. Dieses Phänomen tritt auf, da die Temperatur an dem Ende q des Leitungsdrahts aus B&sub4;C nicht mit der Temperatur an dem Ende r des Leitungsdrahts aus Graphit (C) identisch ist, wie vorstehend erwähnt ist. Wenn die Temperaturen beider Vergleichsstellen gemäß der Meßumgebung unterschiedlich werden, variiert die erzeugte Thermokraft E, obwohl die Temperatur der Meßstelle am Vorderende konstant gehalten wird. Folglich werden die Temperaturen mit geringer Peproduzierbarkeit gemessen. Ein anderes Problem rührt von der Tatsache her, daß die erhaltene Thermokraft abhängig davon abweicht, ob die Temperatur an der Vergteichsstelle des Leitungsdrahts aus B&sub4;C oder die Temperatur an der Vergleichsstelle des Leitungsdrahts aus Graphit (C) verwendet wird, um Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur zu schaffen.
Das oben erwähnte Phänomen wird jetzt weiter diskutiert. Diese Bedingung setzt verschiedene Gesichtspunkte abhängig von der Stelle voraus, an der Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur durchgeführt wird, und ebenfalls abhängig von der Art der Zuleitungsdrähte R. Diese Gesichtspunkte werden begrifflich in den Fign. 7 (i) - 7 (iv) veranschaulicht. Die Fign. 7 (i) und 7 (ii) zeigen Fälle, in denen die Vergleichsstelle des Leitungsdrahts aus Borkarbid (B&sub4;C) mit einem Hilfsthermoelement Y kompensiert wird. Die Fign. 7 (iii) und 7 (iv) zeigen Fälle, in denen die Vergleichsstelle an dem Ende des Leitungsdrahts aus Graphit kompensiert wird. In diesen Fällen zeigen die Geraden die thermoelektrischen Leistungscharakteristiken des B&sub4;C-Leitungsdrahts und des Graphitleitungsdrahts des Thermoelements X. Platin (Pt) wird als Referenzmaterial verwendet. Die Zuleitungsdrähte R sind jeweils mit den Vergleichsstellen q und r der Leitungsdrähte aus Borkarbid (B&sub4;C) und Graphit verbunden. T&sub0;, T&sub2; und T&sub1; seien die Temperatur der Meßstelle, die Temperatur der Vergleichsstelle r des Graphitleitungsdrahts bzw. die Temperatur der Vergleichsstelle q des B&sub4;C-Leitungsdrahts. Da die Temperatur der Vergleichsstelle des Leitungsdrahts aus Graphit immer höher als die der Vergleichsstelle des Leitungsdrahts aus B&sub4;C ist, gilt die Beziehung T&sub2; > T&sub1;.
In den Fign. 7 (i) - 7 (iv) entspricht eine der Temperatur T&sub0; der Meßstelle entsprechende richtige Thermokraft dem Bereich n&sub1;n&sub2;n&sub4;n&sub3;, der durch die thermoelektrischen Leistungskennlinien der Leitungsdrähte aus B&sub4;C und Graphit im Temperaturbereich von 0 bis T&sub0; dargestellt ist. In allen Fällen der Fign. 7 (i)- 7 (iv) ist die bei Temperaturen höher als T&sub2; erzeugte Thermokraft durch den Bereich I oder n&sub8;n&sub2;n&sub4;n&sub1;&sub0; gegeben und von dem B&sub4;C-Leitungsdraht und dem Graphitleitungsdraht erzeugt. Deshalb treten keine Probleme auf.
Jedoch ruft die bei Temperaturen unterhalb von T&sub2; erzeugte Thermokraft Probleme hervor. Zum Beispiel, wenn die Kompensation der Lötstellen-Temperatur an der Vergleichsstelle des Leitungsdrahts aus B&sub4;C geschaffen wird, dann werden Temperaturen, die unterhalb der Temperatur T&sub1; der Vergleichsstelle des B&sub4;C- Leitungsdrahts liegen, durch die von dem Hilfsthermoelement Y erzeugte Thermokraft (Bereich III oder n&sub1;n&sub7;n&sub9;n&sub3;) richtig kompensiert. Andererseits werden diejenigen Temperaturen, die T&sub1; übersteigen und niedriger als T&sub2; sind, durch die zwischen dem Leitungsdraht aus B&sub4;C und einem Zuleitungsdraht R erzeugte Thermokraft (Bereich II oder n&sub7;n&sub8;n&sub1;&sub2;n&sub1;&sub1;) kompensiert. Da die Größe dieser Thermokraft (II) von der thermoelektrischen Leistungscharakteristik des Zuleitungsdrahts R abhängt, entspricht deren Größe der Fläche des Bereichs, der durch die thermoelektrischen Leistungskennlinien des Leitungsdrahts aus B&sub4;C und des Zuleitungsdrahts R im Temperaturbereich von T&sub1; bis T&sub2; dargestellt wird. Deshalb, wenn die thermoelektrische Leistungskennlinie des Zuleitungsdrahts R zwischen der thermoelektrischen Leistungskennlinie des Leitungsdrahts aus B&sub4;C und der thermoelektrischen Leistungskennlinie des Leitungsdrahts aus Graphit liegt, wie in Fig. 7 (i) gezeigt ist, entspricht die zwischen dem Leitungsdraht aus B&sub4;C und dem Zuleitungsdraht R erzeugte Thermokraft (II) dem Bereich n&sub7;n&sub8;n&sub1;&sub2;n&sub1;&sub1;. In diesem Temperaturbereich sollte die durch den Bereich n&sub7;n&sub8;n&sub1;&sub0;n&sub9; gegebene Thermokraft gemessen werden, und daher ist der gemessene Wert um einen durch den Bereich n&sub1;&sub1;n&sub1;&sub2;n&sub1;&sub0;n&sub9; ausgedrückten Bereich kleiner als der richtige Wert. Da die Fläche dieses Bereichs n&sub1;&sub1;n&sub1;&sub2;n&sub1;&sub0;n&sub9;, die den Fehlbetrag darstellt, mit der Änderung der Temperaturen T&sub1; und T&sub2; zu- oder abnimmt, kann keine Korrektur durchgeführt werden, bis die Änderungen in den Temperaturen T&sub1; und T&sub2; vorausgesagt werden können. Wie aus dem Diagramm entnommen werden kann, nimmt der Fehlbetrag mit zunehmendem Abstand zwischen der thermoelektrischen Leistungskennlinie des Zuleitungsdrahts R und der thermoelektrischen Leistungskennlinie des Graphitleitungsdrahts zu.
Wenn die thermoelektrische Leistungskennlinie des Zuleitungsdrahts R unter der thermoelektrischen Leistungskennlinie des Leitungsdrahts aus Graphit (C) liegt, wie in Fig. 7 (ii) gezeigt ist, ist die Thermokraft (II), die von dem Leitungsdraht aus B&sub4;C und dem Zuleitungsdraht R im Temperaturbereich von T&sub1; bis T&sub2; erzeugt wird, durch den Bereich n&sub7;n&sub8;n&sub1;&sub2;n&sub1;&sub1; gegeben. Dieser Bereich ist um den Bereich n&sub9;n&sub1;&sub0;n&sub1;&sub2;n&sub1;&sub1; breiter als der Bereich n&sub7;n&sub8;n&sub1;&sub0;n&sub9;, was die Thermokraft anzeigt, die in diesem Temperaturbereich gemessen werden sollte. Bei dem zusammengesetzten Thermoelement, das die Temperatur der Vergleichsstelle des B&sub4;C-Leitungsdrahts auf diese Weise mit einem Metallthermoelement Y kompensiert, entspricht die Fläche des Bereichs, der von den thermoetektrischen Leistungskennlinien des Zuleitungsdrahts R und des Leitungsdrahts aus Graphit im Temperaturbereich von T&sub2; bis T&sub1; umgeben wird, der Größe des in der Messung enthaltenen Fehlers. Je nachdem, wie die Temperaturen T&sub1; und T&sub2; variieren, nimmt diese Größe zu oder ab.
Wir diskutieren jetzt Fälle, in denen das Metallthermoelement Y mit der Vergleichsstelle des Graphitleitungsdrahts des Hauptthermoelements X verbunden ist, um die Temperatur der Vergleichsstelle des Graphitleitungsdrahts zu kompensieren, wie in den Fign. 7 (iii) und 7 (iv) gezeigt ist. Die im Temperaturbereich von T&sub0; bis T&sub2; erzeugte Thermokraft wird als Thermokraft (Bereich I oder n&sub8;n&sub2;n&sub4;n&sub1;&sub0;) gemessen, die zwischen dem Leitungsdraht aus B&sub4;C und dem Leitungsdraht aus Graphit des Hauptthermoelements erzeugt wird, ob die thermoelektrische Leistungskennlinie des Zuleitungsdrahts R zwischen der thermoelektrischen Leistungskennlinie des Leitungsdrahts aus Graphit und der thermoelektrischen Leistungskennlinie des Leitungsdrahts aus B&sub4;C, wie in Fig. 7 (iii) gezeigt ist, liegt, oder oberhalb der thermoelektrischen Leistungskennlinie des Leitungsdrahts aus Graphit, wie in Fig. 7 (iv) gezeigt ist. Obwohl die Kompensation durch die von dem Hilfsthermoelement Y im Temperaturbereich unterhalb von T&sub2; erzeugte Thermokraft (Bereich III oder n&sub1;n&sub8;n&sub1;&sub0;n&sub3;) geschaffen wird, wird die Thermokraft auch zwischen dem Leitungsdraht aus B&sub4;C und dem Zuleitungsdraht R im Temperaturbereich von T&sub1; bis T&sub2; hervorgerufen. Die letztere elektromotorische Kraft wird zu der durch den Bereich III gegebenen ersteren elektromotorischen Kraft hinzugefügt. Die Größe der hinzugefügten elektromotorischen Kraft wird durch den Bereich n&sub7;n&sub8;n&sub1;&sub2;n&sub1;&sub1; in Fig. 7 (iii) und den Bereich n&sub7;n&sub8;n&sub1;&sub2;n&sub1;&sub1; in Fig. 7 (iv) ausgedrückt. Wegen der hinzugefügten elektromotorischen Kraft ist die von dem Meßinstrument gemessene Thermokraft größer als der richtige Wert, der durch den Bereich n&sub1;n&sub2;n&sub4;n&sub3; gegeben ist.
Um die Ergebnisse der bislang geführten Diskussion zusammenzufassen, sind die denkbaren Gründe der Fehler bei den Messungen, die mit dem zusammengesetzten Thermoelement durchgeführt werden, wenn die Temperatur T&sub1; der Vergleichsstelle des B&sub4;C-Leitungsdrahts und die Temperatur T&sub2; des Graphitleitungsdrahts variieren, wie folgt.
(1) Wenn die Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur an dem Ende des Leitungsdrahts aus B&sub4;C geschaffen wird, ruft die Thermokraft, die durch die Fläche desjenigen Bereichs gegeben ist, der durch die thermoelektrischen Kennlinien des Zuleitungsdrahts R und des Leitungsdrahts aus Graphit (C) innerhalb des Temperaturbereichs von T&sub1; bis T&sub2; dargestellt wird, einen Fehler hervor.
(2) Wenn die Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur an dem Ende des Graphitleitungsdrahts geschaffen wird, bewirkt die der Fläche desjenigen Bereichs, der durch die thermoelektrischen Leistungskennlinien des Zuleitungsdrahts und des B&sub4;C-Leitungsdrahts im Temperaturbereich von T&sub1; bis T&sub2; dargestellt wird, entsprechende Thermokraft einen Fehler.
Wir haben aus den vorstehenden Punkten (1) und (2) die folgenden Schlußfolgerungen gezogen: "Die Thermokraft, die der Fläche desjenigen Bereichs entspricht, der durch die thermoelektrische Leistungskennlinie des gegenüber der kompensierten Vergleichsstelle angeordneten Leitungsdrahts und auch durch die thermoelektrische Leistungskennlinie der Zuleitungsdrähte im Temperaturbereich von T&sub1; bis T&sub2; dargestellt wird, ruft einen Fehler hervor." Aus dieser Schlußfolgerung haben wir ein Verfahren zur Temperaturmessung im wesentlichen ohne Fehler erfunden, sogar wenn die Temperaturen T&sub1; und T&sub2; der Vergleichsstellen variieren.
Dieses Verfahren besteht darin, daß die thermoelektromotorische Charakteristik der Zuleitungsdrähte mit der thermoelektromotorischen Charakteristik des nicht kompensierten Leitungsdrahts genau zur Übereinstimmung gebracht wird, um zu verhindern, daß die zwischen den Zuleitungsdrähten und den Leitungsdrähten des Thermoelements erzeugte Thermokraft einen Fehler hervorruft.
Insbesondere betrifft die Erfindung ein zusammengesetztes Thermoelement, das keinen Kompensationsleitungsdraht besitzt und dessen beide Lötstellen nicht auf der gleichen Temperatur gehalten werden können. Die Temperatur einer Vergleichsstelle wird mit einem Hilfsthermoelement kompensiert. Dieses zusammengesetzte Thermoelement ist dadurch gekennzeichnet, dar Zuleitungsdrähte zur Entnahme der Thermokraft aus einem Material mit einer thermoelektromotorischen Charakteristik bestehen, die bei niedrigen Temperaturen mit der thermoelektromotorischen Charakteristik des Leitungsdrahts übereinstimmt, mit dem das Hilfsthermoelement nicht verbunden ist.
Mit anderen Worten, die Kompensationsleitungsdrähte, die in der thermoelektromotorischen Charakteristik mit ihren jeweiligen Leitungsdrähten des neuen Thermoelements übereinstimmen, sind nicht gleichzeitig verfügbar. Wenn ein Zuleitungsdraht mit einer thermoelektromotorischen Charakteristik verwendet werden kann, die der thermoelektromotorischen Charakteristik eines Leitungsdrahts des Thermoelements nahekommt, dann wird dieser Leitungsdraht verwendet, um die von dem Thermoelement erzeugte Thermokraft zu entnehmen. Ein Hilfsthermoelement wird an dem anderen Leitungsdraht befestigt, um Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur zu schaffen. Somit können Temperaturen ohne Fehler genau gemessen werden.
Um das oben beschriebene Verfahren auszuführen, hat der Erfinder die thermoelektromotorischen Charakteristiken verschiedener Materialien gemessen, um Materialien zu finden, aus denen Zuleitungsdrähte für ein B&sub4;C/C-Thermoelement hergestellt werden können. Die Meßreihen wurden unter Verwendung der Platin-Charakteristik als Referenz durchgeführt. Die thermoelektromotorischen Charakteristiken dieser Materialien wurden mit denen von Borkarbid (B&sub4;C) und Graphit (C) verglichen. Die Ergebnisse sind in Fig. 8 gezeigt. Die getesteten Materialien waren aus dem folgenden Grund alle Metalle. Die Zuleitungsdrähte müssen flexibel sein und mit anderem Material zusammengefügt werden. Es wurde angenommen, daß ein oder mehrere metallische Materialien diese Anforderungen erfüllen können.
Wie aus dem Diagramm in Fig. 8 verstanden werden kann, erzeugte B&sub4;C eine sehr hohe Thermokraft. Keines der metallischen Materialien konnte in dieser Hinsicht mit B&sub4;C verglichen werden. Eine Fe-Si-Legierung (nicht gezeigt), die als Material für Thermoelemente verwendet wird, erzeugte zum Beispiel eine Thermokraft, die nahe an der von B&sub4;C erzeugten Thermokraft liegt. Jedoch zeigt die Fe-Si-Legierung geringe Flexibilität. Ferner kann sie nicht leicht zu dünnen Drähten geformt werden, da die Legierung vor allem aus Sinterwerkstoffen besteht.
Andererseits ist die von Graphit erzeugte Thermokraft relativ gering. Von Vorteil ist, daß seine thermoelektromotorische Charakteristik bis etwa 500ºC der thermoelektromotorischen Charakteristik von reinem Kupfer (Cu) nahe kommt, wobei Kupfer eines der weitverbreitesten Leitungsmaterialien ist. Auch stimmt Graphit in der thermoelektromotorischen Charakteristik mit Gold (Au), Silber (Ag) und anderen Metallen überein. Von diesen Materialien ist reines Kupfer vergleichsweise billig und kann ohne weiteres verarbeitet werden. Folglich ist reines Kupfer das optimale Leitungsmaterial.
Schließlich, wenn die Temperatur mit einem B&sub4;C/C-Thermoelement gemessen wird, wird die Vergleichsstellen-Temperatur an dem Ende des Leitungsdrahts aus B&sub4;C kompensiert, und die Zuleitungsdrähte bestehen aus reinem Kupfer. In diesem Fall kann die Temperatur der Meßstelle genau gemessen werden, wie auch immer sich die Temperatur an der Vergleichsstelle des Leitungsdrahts aus B&sub4;C oder Graphit ändert. In dem vorliegenden Beispiel wird das Konzept der Erfindung auf ein B&sub4;C/C-Thermoelement angewendet. Das neue Verfahren kann ebenfalls für andere Keramikthermoelemente verwendet werden. Da viele Keramikthermoelemente einen Leitungsdraht aus Graphit (C) besitzen, kann eine sehr große Zahl von Keramikthermoelementen Zuleitungsdrähte verwenden, die aus reinem Kupfer bestehen.
Um die Auswirkungen des neuen Verfahrens zu ermitteln, stellte der Erfinder ein B&sub4;C/C-Thermoelement her, wie in Fig. 9 gezeigt ist. Die Temperatur an der Vergleichsstelle des Leitungsdrahts aus Graphit wurde geändert, während die Meßstelle und die Vergleichsstelle des B&sub4;C-Leitungsdrahts auf konstanter Temperatur gehalten wurden, um eine Temperaturdifferenz zwischen dem Ende q des B&sub4;C-Leitungsdrahts und dem Ende r des Graphitleitungsdrahts zu erzeugen. Zu diesem Zeitpunkt wurde eine Thermokraft E zwischen den Enden der Zuleitungsdrähte R, R nachgewiesen, um die Stabilität der Ausgangsthermokraft abzuschätzen. Die Ergebnisse sind in den Fign. 10 (i) und 10 (ii) gezeigt. Fig. 10 (i) zeigt den Fall, in dem Zuleitungsdrähte aus Eisen (Fe) verwendet wurden. Fig. 10 (ii) zeigt den Fall, in dem Zuleitungsdrähte aus reinem Kupfer (Cu) verwendet wurden. Bei diesen Experimenten wurde die Temperatur T&sub0; der Meßstelle auf 2000ºC gehalten. Die Vergleichsstelle des Leitungsdrahts aus B&sub4;C wurde mit kaltem Wasser gekühlt, um eine konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Die in ºC ausgedrückte Temperatur und die elektromotorische Kraft wurden gegen die Zeit aufgetragen. In dem Fall, wenn die Zuleitungsdrähte aus reinem Kupfer (Cu) bestanden, wie in Fig. 10 (ii) gezeigt ist, wurde die Ausgangsthermokraft E im wesentlichen konstant gehalten, trotz der Tatsache, daß die Temperatur an der Vergleichsstelle des Graphitleitungsdrahts sich änderte. Somit war die elektromotorische Kraft E vollständig stabil. Die Ergebnisse der Experimente lassen erkennen, daß die Temperatur der Meßstelle jederzeit mit hoher Peproduzierbarkeit genau gemessen werden kann, wie sich auch die Temperaturen an den Vergleichsstellen des B&sub4;C- und des Graphitleitungsdrahts ändern, indem ein B&sub4;C-Thermoelement benutzt wird, Zuleitungsdrähte aus reinem Kupfer verwendet werden, und die Vergleichsstellen-Temperatur an dem Ende des B&sub4;C-Leitungsdrahtes mit einem Hilfsthermoelement kompensiert wird.
Gemäß Fig. 11 ist ein zusammengesetztes Thermoelement gemäß der Erfindung gezeigt. Dieses Thermoelement kann industriell verwertet werden und umfaßt ein Keramikthermoelement 11 und ein als Hilfsthermoelement arbeitendes Metallthermoelement 12. Das Metallthermoelement 12 ist an dem Ende einer Stange 14 aus Borkarbid (B&sub4;C) befestigt. Das Keramikthermoelement 11 besteht aus einem Zylinder 13 aus Graphit (C). Die Stange 14 ist mit der Vorderseite des Zylinders 13 zusammengefügt und mit dem Zylinder 13 elektrisch verbunden, um eine Meßstelle zu bilden (nicht gezeigt). Eine Ringelektrode 15 aus reinem Kupfer ist so über der Grundfläche des Zylinders 13 angebracht, daß die Stange 14 aus der Elektrode 15 herausragt. Eine weitere Ringelektrode 16 aus reinem Kupfer ist über der Grundfläche der Stange 14 angebracht. Leitungen 17 und 18 aus reinem Kupfer erstrecken sich jeweils von den Elektroden 15 und 16. Die Grundfläche des Zylinders 13 ist außen mit einem Gewinde versehen.
Die Elektrode 15 ist innen mit einem Gewinde versehen. Die Elektrode 15 wird in den Zylinder 13 geschraubt, um die Elektrode 15 auf dem Zylinder 11 zu befestigen. Die Elektrode 16 ist über eine Flachfeder (nicht gezeigt) auf der Stange 14 befestigt. Die Vorderseite des Metallthermoelements 12 ist in die Elektrode 16 versenkt, um Temperaturmessungen an der Lötstelle der Stange 14 aus B&sub4;C und der Elektrode 16 aus reinem Kupfer zu erlauben. Die von dem B&sub4;C/C-Thermoelement erzeugte Thermokraft wird zwischen den Leitungen 17 und 18 gemessen, die sich von den Elektroden 15 und 16 aus erstrecken. Das neue B&sub4;C/C-Thermoelement wird hauptsächlich in einem Vakuum oder einer mit Schutzgas gefüllten Schutzatmosphäre verwendet. Deshalb ist es notwendig, die Gasdichte der Meßumgebung aufrechtzuerhalten, wenn das neue Thermoelement an einem zu untersuchenden Material befestigt wird. Zu diesem Zweck wird eine Befestigungsvorrichtung, die an das Befestigungsverfahren angepaßt ist, bereitgestellt, um die Befestigung zu erleichtern. Kabel aus reinem Kupfer werden aus der Befestigungsvorrichtung über hermetische Anschlüsse herausgeführt, um die Thermokraft von dem B&sub4;C/C- Thermoelement zu entnehmen und um mit dem Metallthermoelement Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur zu schaffen. Die Befestigungsvorrichtung kann auch die Form eines Flansches annehmen.
Die Temperatur der Meßstelle wird aus der von dem zusammengesetzten B&sub4;C/C-Thermoelement erzeugten elektromotorischen Kraft und aus der von dem Hilfsthermoelement erzeugten Thermokraft unter Verwendung eines Konverters berechnet, der jetzt beschrieben wird. Bei dem zusammengesetzten B&sub4;C/C-Thermoelement werden die von dem B&sub4;C/C-Thermoelement erzeugte Nettothermokraft und die von dem Hilfsthermoelement erzeugte Thermokraft getrennt entnommen. Bei dem herkömmlichen Thermoelement mit Kompensationsleitungsdrähten ist die von den Kompensationsleitungsdrähten erzeugte Thermokraft gleich der von dem Körper des Hauptthermoelements erzeugten Thermokraft. Deshalb, wenn die Thermokraft, die sich zwischen den Enden der Kompensationsleitungsdrähte ausbildet, durch Verbinden der Drähte mit den Enden des Thermoelements gemessen wird, dann wird automatisch die Summe aus der Thermokraft, die von dem Körper des Thermoelements erzeugt wird, und der Thermokraft, die von den Kompensationsleitungsdrähten erzeugt wird, entnommen. In diesem Fall kann die Gesamtthermokraft direkt in Temperatur umgerechtnet werden, indem einfach die zwischen den Enden der Kompensationsleitungsdrähte nachgewiesene Thermokraft in Temperatur übertragen wird, gemäß einer Übertragungstabelle, die gewöhnlich verwendet wird, um die von dem Körper des Hauptthermoelements erzeugte Thermokraft in Temperatur zu ändern. Jedoch unterscheidet sich bei dem neuen zusammengesetzten Thermoelement das Metallthermoelement, das Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur schafft, in der thermoelektromotorischen Charakteristik von dem Hauptthermoelement, und wenn somit die von dem Metallthermoelement erzeugte Thermokraft einfach in der gleichen Weise wie bei bisherigen bekannten Verfahren zu der Thermokraft hinzuaddiert wird, wird kein erfolgreiches Ergebnis erzielt. Insbesondere, bevor die von dem Metallthermoelement erzeugte Thermokraft hinzuaddiert wird, muß sie in von dem B&sub4;C/C-Hauptthermoelement erzeugte Thermokraft umgerechnet werden. Folglich werden die folgenden drei arithmetischen Operationen benötigt, um die Temperatur der Meßstelle aus der von dem neuen zusammengesetzten Thermoelement erzeugten Thermokraft zu berechnen:
(1) Umrechnen der von dem Metallthermoelement erzeugten Thermokraft in Thermokraft des B&sub4;C/C-Hauptthermoelements.
(2) Hinzuaddieren der umgerechneten Thermokraft zu der von dem B&sub4;C-Hauptthermoelement erzeugten Thermokraft.
(3) Umrechnen der Gesamtthermokraft in Temperatur, gemäß einer Übertragungstabelle, die normalerweise verwendet wird, um die von dem Hauptthermoelement erzeugte Thermokraft in Temperatur zu ändern.
Die arithmetische Operation (1) benötigt eine Interpolationsgleichung (1), die die von dem Metallthermoelement erzeugte Thermokraft in Temperatur des B&sub4;C/C-Hauptthermoelements umwandelt, wobei das Metallthermoelement dazu dient, Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur zu schaffen. Die oben beschriebene arithmetische Operation (3) erfordert eine Interpolationsgleichung (2) , die die Gesamtthermokraft in Temperatur umwandelt.
Die Interpolationsgleichung (1) wird in der unten beschriebenen Weise gefunden. Da die Übertragungstabelle zur Umrechnung der von dem verwendeten Hilfsthermoelement erzeugten Thermokräft in Temperatur bekannt ist, wenn die Beziehung zwischen der von dem Hauptthermoelement erzeugten elektromotorischen Kraft und der Temperatur in einem niedrigen Temperaturbereich unterhalb von etwa 300ºC, in dem die Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur durchgeführt wird, bekannt ist, dann kann die Interpolationsgleichung (1) ermittelt werden. Diese Beziehung wird wie folgt ermittelt. Zuleitungsdrähte aus reinem Kupfer werden mit beiden Vergleichsstellen des B&sub4;C/C- Thermoelements verbunden. Ein Meßinstrument wird zwischen die Enden der Zuleitungsdrähte verbunden. Die Temperatur an der Meßstelle des Thermoelements und die Temperatur an der Vergleichsstelle des B&sub4;C-Leitungsdrahts werden mit einem Bezugsthermoelement gemessen. Die Differenz zwischen diesen beiden Temperaturen wird als Temperatur des B&sub4;C/C-Thermoelements genommen. Die Temperaturdifferenz wird in Stufen von 50ºC von 0 bis etwa 1000ºC geändert, während die Temperatur an der Vergleichsstelle des B&sub4;C/C-Leitungsdrahts konstant gehalten wird. Immer wenn sie um 50ºC geändert wird, wird die von dem B4C/CThermoelement erzeugte Thermokraft gemessen, um Daten über die Beziehung zwischen der von dem B&sub4;C/C-Thermoelements erzeugten Thermokraft und der Temperatur im Temperaturbereich von 0 bis 1000ºC zu erhalten. Da der Temperaturbereich, in dem Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur geschaffen wird, als höchstes etwa 300ºC beträgt, werden die in dem Bereich von 0 bis 300ºC erhaltenen Datenpunkte aus den im Temperaturbereich von 0 bis 1000ºC erhaltenen Daten herausgenommen, und dann werden die unbekannten Datenpunkte zwischen den herausgenommenen Datenpunkten durch die Methode der kleinsten Quadrate interpoliert, wodurch die Übertragungstabelle zur Umrechnung der Thermokraft in Temperatur erhalten wird.
Ein Verfahren zur Ermittlung der Interpolationsgleichung (2) wird jetzt beschrieben. Da die höchste Temperatur des B&sub4;C/C-Thermoelements 2200ºC beträgt, wenn die Beziehung zwischen Thermokraft und Temperatur betreffende Daten gesammelt werden, ist es notwendig die Temperatur der Meßstelle mindestens auf 2200ºC zu erhöhen. Demgemäß wird das Eichthermoelement, das die Temperaturen der Meßstelle des B&sub4;C/C-Thermoelements mißt, benötigt, um Temperaturen bis zu 2200ºC zu messen. Dasjenige Thermoelement, das bis zu solch hohen Temperaturen messen kann und die größte Akzeptanz besitzt, ist ein W/WRe- Thermoelement. Jedoch unterscheidet sich ein Thermoelement dieser Art in der thermoelektromotorischen Charakteristik um etwa 1% von einem anderen Thermoelement. Zusätzlich kann die Charakteristik während der Eichung driften. Deshalb wird es bevorzugt, ein Stahlungspyrometer zu verwenden, das von einer offiziellen Institution, wie etwa dem National Measurement Laboratory, geeicht wurde, um die Reproduzierbarkeit der Eichung aufrechtzuerhalten. Um dieses Eichverfahren durchzuführen, wird bei der vorliegenden Erfindung ein Schwarzkörperofen mit einem bekannten Emissionsvermögen als Wärmequelle verwendet, und wird ein geeichtes Strahlungspyrometer verwendet. Die von diesem Pyrometer angezeigte Temperatur wird als Bezugstemperatur verwendet. Ebenfalls wird bei dieser Eichung Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur durch das Metallthermoelement geschaffen, das an der Vergleichsstelle des B&sub4;C-Leitungsdrahts befestigt ist, um die Eichung zweckmäßig zu machen. Dies ist vorzuziehen, da die Reproduzierbarkeit erhöht wird.
Die Interpolationsgleichungen (1) und (2) werden auf diese Weise bestimmt. Die Temperatur der Meßstelle wird in Übereinstimmung mit dem in Fig. 12 gezeigten Flußdiagramm aus der von dem Hauptthermoelement X und dem Hilfsthermoelement Y der neuen zusammengesetzten Keramik erzeugten Thermokraft unter Verwendung der Interpolationsgleichungen (1) und (2) berechnet. Seien E&sub1; und E&sub2; jeweils die von dem Hauptthermoelement X und dem Hilfsthermoelement Y ausgebildeten Thermokräfte. Die Formeln (1), (2), (3), (4) sind in dem Flußdiagramm enthaltet. Wenn ein Metallthermoelement des K-Typs verwendet wird, ist die Formel (1) gegeben durch:
T&sub1; = F(E&sub2;) = -0.03425 E&sub2;² + 24.99 E&sub2; - 0.76760
Allgemein sind die Formeln (2), (3), (4) jeweils gegeben durch:
Die Formeln (1) und (2) entsprechen der oben beschriebenen Interpolationsgleichung (1). Die Formel (4) entspricht der Interpolationsgleichung (2)
Für das herkömmliche Universalmetallthermoelement, bei dem Kompensationsleitungsdrähte mit dem Körper des Thermoelements verbunden sind, wird die Thermokraft, die der Temperatur der Vergleichsstellen entspricht, automatisch hinzuaddiert. Auch ist die Übertragungstabelle zur Umrechnung der von dem Thermoelement erzeugten Thermokraft in Temperatur bekannt. Deshalb kann ein Konverter einfach durch Festsetzen einer bekannten Interpolationsgleichung hergestellt werden. Wie bei dem neuen zusammengesetzten B&sub4;C/C-Thermoelement und anderen Keramikthermoelementen sind ihre thermoelektromotorischen Charakteristiken nicht genormt. Die Beziehung zwischen Thermokraft und Temperatur kann zwischen vielen hergestellten Thermoelementen unterschiedlich sein. In diesem Fall, wenn eine konstante Interpolationsgleichung in einem Konverter wie dem bekannten Konverter zur Umrechnung der Thermokraft in Temperatur eingebaut ist, und wenn ein Thermoelement mit einer unterschiedlichen thermoelektromotorischen Charakteristik verwendet wird, enthält die gemessene Temperatur einen Fehler. Folglich verschlechtert sich die Zuverlässigkeit der Messung sehr.
Demgemäß sollte ein Konverter, der mit dem neuen zusammengesetzten Keramikthermoelement verwendet wird, in der Lage sein, die Werte der Konstanten B&sub1;-B&sub3;, A&sub1;-A&sub5; geeignet festzusetzen, um sich den Charakteristikänderungen zwischen vielen hergestellten Produkten anzupassen, wobei die Konstanten im wesentlichen die Interpolationsgleichungen (1) und (2) bestimmen. Bislang hat kein Konverter diese Fähigkeit besessen. Der Erfinder hat diesen Konverter entwickelt. Ein Beispiel des Konverters ist in Fig. 13 gezeigt, in der der Konverter allgemein mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet ist. Ein zusammengesetztes B&sub4;C/C-Thermoelement 22 besitzt ein Hauptthermoelement 23 und ein Metallthermoelement 24, das Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur schafft. Die von dem Hauptthermoelement 23 und dem Hilfsthermoelement 24 erzeugten Thermokräfte werden über Leitungen aus reinem Kupfer dem Konverter 21 zugeführt. Der Konverter 21 umfaßt einen Temperaturanzeigeteil 25, der die digitale Anzeige der gemessenen Temperatur vorsieht. Numerische Tasten 26 werden verwendet, um die Werte der Konstanten A&sub1;-A&sub5;, B&sub1;-B&sub3; einzugeben, die die Interpolationsgleichungen (1) und (2) bestimmen. Die eingegebenen Werte der Konstanten werden auf einem Anzeigeteil für konstante Werte 27 angezeigt. Auch gezeigt ist ein Ein-Aus-Schalter 28. Ein geeignetes Aufzeichnungsgerät kann mit dem Konverter 21 verbunden sein. Ebenfalls kann ein Temperaturkontroller, der die gemessene Temperatur an das zu untersuchende Material zurückleitet, um die Temperatur des Materials zu kontrollieren, eingebaut sein.
Die Werte der in den Interpolationsgleichungen enthaltenen Konstanten werden durch Drücken der numerischen Tasten 26 auf der Frontabdeckung eingegeben. Die eingegebenen Werte werden durch Drücken einer CLR-Taste 29, die an der Seite der numerischen Tasten 26 angeordnet ist, geändert oder gelöscht. Die eingegebenen Konstanten werden in einem Speicher in Form einer integrierten Schaltung, die in dem Konverter 21 eingebaut ist, gespeichert. Da der Speicher durch eine Batterie aufgeladen wird, bleiben die Werte der Konstanten gespeichert, wenn die Stromzufuhr ausgeschaltet wird. Dieser Konverter ermöglicht es, daß konstante Werte zur Bestimmung der Interpolationsgleichungen (1) und (2) getrennt eingegeben werden können. Wenn die thermoelektromotorische Charakteristik sich zwischen vielen hergestellten zusammengesetzten Keramikthermoelementen unterscheidet, kann für jedes Thermoelement eine Liste der Konstanten B&sub1;-B&sub3;, A&sub1;-A&sub5;, die für jedes einzelne Thermoelement charakteristisch sind, festgesetzt werden, die von dem Hersteller geliefert wird. Der Benutzer kann immer eine genaue Temperaturmessung durchführen, indem er die Konstanten eingibt.
Ein Verfahren zum Messen der Temperatur mit einem zusammengesetzten Keramikthermoelement, insbesondere einem B&sub4;C/C- Thermoelement, ein zusammengesetztes Keramikthermoelement zum Durchführen des Verfahrens und ein Konverter zur Verwendung mit dem Thermoelement sind bis jetzt beschrieben worden. Die Erfindung kann auf weitere Keramikthermoelemente als das B&sub4;C/C-Thermoelement und auch auf spezielle Thermoelemente, die keine Kompensationsleitungsdrähte besitzen und deren Drähte Vergleichsstellen besitzen, die nicht auf gleicher Temperatur liegen, angewendet werden.

Claims

1. Verfahren zum Messen der Temperatur mit den Schritten:

Präparieren eines Hauptthermoelements (23) ohne Kompensationsleitungsdraht und mit Vergleichsstellen, zwischen denen eine Temperaturdifferenz besteht;

Verbinden eines Hilfsthermoelements (24) mit einer der Vergleichsstellen, um Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur zu schaffen; und

Verbinden von Zuleitungsdrähten mit den Thermoelementen (23, 24), um von ihnen Thermokräfte zu entnehmen,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Zuleitungsdrähte aus einem Material bestehen, das bei niedrigen Temperaturen im wesentlichen die gleiche thermoelektromotorische Charakteristik wie der nichtkompensierte Leitungsdraht des Hauptthermoelements besitzt;

und mit den Schritten:

Umrechnen der von dem Hilfsthermoelement erzeugten Thermokraft in Temperatur, um die Temperatur der Vergleichsstellen zu bestimmen;

Berechnen der Thermokraft des Hauptthermoelements entsprechend der Temperatur der Vergleichsstellen unter Verwendung einer Übertragungstabelle zur Umrechnung der Thermokraft des Hauptthermoelements in Temperatur;

Hinzuaddieren der von der Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur erzeugten Thermokraft zu der Thermokraft des Hauptthermoelements; und

Umrechnen der sich ergebenden Gesamtthermokraft in Temperatur unter Verwendung der Übertragungstabelle zur Umrechnung der Thermokraft des Hauptthermoelements in Temperatur, um die Temperatur der Meßstelle des Hauptthermoelements zu berechnen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Ubertragungstabelle zur Umrechnung der Thermokraft des Hauptthermoelements in Temperatur in zwei Teile eingeteilt ist, jeweils für einen Gesamttemperaturbereich, in dem das Hauptthermoelement Temperatur mißt, und einen Niedertemperaturbereich, in dem das Hilfsthermoelement die Kompensation der Vergleichsstellen-Temperatur schafft.

3. Thermoelementaufbau mit:

einem Thermoelement (11), das aus einem Leitungsdraht aus Borkarbid (B&sub4;C) (14) und einem Leitungsdraht aus Graphit (13) besteht;

einem Metallthermoelement (12), das die Temperatur einer der Vergleichsstellen kompensiert; und

Zuleitungsdrähten (17, 18), die sich von den Thermoelementen aus erstrecken, um Thermokräfte dieser Thermoelemente zu entnehmen, wobei die Leitungen aus einem Material bestehen, das bei niedrigen Temperaturen im wesentlichen die gleiche thermoelektromotorische Charakteristik wie der Leitungsdraht aus Graphit (13) besitzt;

gekennzeichnet dadurch,

daß das Metallthermoelement die Temperatur der Vergleichsstelle des Leitungsdrahtes aus B&sub4;C (14) kompensiert.

4. Thermoelementaufbau nach Anspruch 3, wobei die Zuleitungsdrähte (17, 18) aus reinem Kupfer bestehen.

5. Thermoelementaufbau nach Anspruch 3, wobei die Zuleitungsdrähte (17, 18) aus Gold bestehen.

6. Thermoelementaufbau nach Anspruch 3, wobei die Zuleitungsdrähte (17, 18) aus Silber bestehen.

7. Konverter zur Umrechnung der Thermokraft eines zusammengesetzten Thermoelements in Temperatur eines zu testenden Materials, wobei das zusammengesetzte Thermoelement aus einem Hauptthermoelement (23) und einem Hilfsthermoelement (24) mit einer bekannten thermoelektromotorischen Charakteristik besteht, das Hilfsthermoelement zur Kompensation der Temperatur einer Vergleichsstelle des Hauptthermoelements betrieben wird, wobei die sich von den Thermoelementen aus erstreckenden Zuleitungsdrähte zur Entnahme der Thermokräfte von diesen Thermoelementen aus einem Material mit im wesentlichen der gleichen thermoelektromotorischen Charakteristik wie der nichtkompensierte Leitungsdraht des Hauptthermoelements bestehen, und der Konverter in der Lage ist, eine erste Interpolationsgleichung und unabhängig eine zweite Interpolationsgleichung aufzustellen, wobei die erste Interpolationsgleichung dazu verwendet wird, die Thermokraft des Hilfsthermoelements in Thermokraft des Hauptthermoelements umzurechnen, die zweite Interpolationsgleichung dazu verwendet wird, die Gesamtthermokraft in Temperatur umzurechnen, und die Gesamtthermokraft die Summe der Thermokraft des Hauptthermoetements und der umgerechneten Thermokraft des Hilfsthermoelements ist.