DE3910664A1 - Messvorrichtung zur temperaturmessung und ihre verwendung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung zur Temperaturmessung, bestehend aus einem einseitig geschlossenen Rohr sowie ihre Verwendung.

Thermoelemente werden für Temperaturmessungen bis ca. 2200°C verwendet. Um dem Element hinreichenden Schutz gegen mechanischen Beanspruchung durch Druck, Schlag, Abrieb oder Schwingungen zu geben und es gegen chemische Einflüsse zu schützen, werden die Elemente mit Schutz­ rohren umgeben, die entsprechend den jeweiligen Bean­ spruchungen ausgewählt werden. Bei größeren mechanischen und chemischen Belastungen werden einseitig geschlossene Schutzrohre benutzt, die unabhängig vom Thermoelement in Behälter, Ofen usw. eingebaut werden können.

Strahlungspyrometer können zur Temperaturmessungen bis ca. 5000°C eingesetzt werden. Die Temperatur wird auf Grund der vom Körper ausgesendeten Strahlung bestimmt.

Meßfehler können dann auftreten, wenn sich zwischen Meßgegenstand und Pyrometer ein Zwischenmedium wie Gas, Nebel oder Rauch befindet, das in dem Spektralbereich, in dem das Pyrometer arbeitet, Strahlung absorbiert. Um Beeinflussungen der Temperaturmessung durch Zwischen­ medien zu vermeiden, werden einseitig geschlossene Sichtrohre eingesetzt. Der Boden des Sichtrohres ist die Meßstelle der pyrometrischen Temperaturmessung.

Als Schutz- bzw. Sichtrohrmaterialien kommen zur Zeit in Druckbehältern, Gasdruckinteranlagen und Heißiso­ statpressen bei Temperaturen größer 1000°C keramische Materialien, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃), Siliciumcarbid (SiC), Siliciumnitrid (Si₃N₄) und Bornitrid (BN), Gra­ phit, Molybdän und Berylliumoxid (BeO) zum Einsatz. Al₂O₃, SiC und Si₃N₄ können allerdings nur bis zu Temperaturen von maximal 1700-1800°C verwendet werden. Berylliumoxid sollte wegen seiner Giftigkeit nach Mög­ lichkeit nicht eingesetzt werden.

Al₂O₃, SiC, Si₃N₄ und BeO sind generell thermoschock­ empfindlich, wodurch die Standzeiten der Rohre stark eingeschränkt werden. Insbesondere dichte Keramikrohre sind derart thermoschockempfindlich, daß ein Einsatz dieser Materialien, auch unter Beachtung ihrer hohen Kosten, nicht sinnvoll ist. Dies gilt vor allem dann, wenn die Apparatur diskontinuierlich betrieben und daher ständig auf- und abgeheizt wird. Bessere Standzeiten haben poröse Materialien. Allerdings müssen beim Einsatz dieser Materialien, trotz teilweise aufwendiger Spül­ techniken, Meßfehler durch chemischen Angriff "aggres­ siver" Gase oder Flüssigkeiten an die Thermoelemente und/oder Eindringen störender Zwischenmedien in das pyrometrische Sichtrohr, in Kauf genommen werden. Dies gilt insbesondere für Anlagen, die bei hohen Tempera­ turen unter erhöhtem Gasdruck betrieben werden. Hier treten zusätzlich bei Drucken oberhalb 6×10⁵ Pa und Temperaturen < 1400°C Gasschlieren auf, die durch Streuung eine pyrometrische Messung verfälschen.

Graphit ist ein poröser Werkstoff. Die daraus resul­ tierenden Probleme für die Temperaturmessung entsprechen denjenigen der porösen keramischen Werkstoffe. Graphit kann unter Schutzgas bis maximal 3000°C eingesetzt werden.

Bornitrid (BN) hat auf Grund seiner geringen mecha­ nischen Festigkeiten den Nachteil, daß die Wandstärken der Rohre für den Einsatz in Druckbehältern, Gasdruck­ sinteranlagen und Heißisostatpressen sehr groß sein müssen, wodurch größere Meßfehler durch Wärmeableitung durch das Schutz- oder Sichtrohr nicht zu vermieden sind.

Molybdän kann unter Schutzgas bis ca. 2200°C verwendet werden, rekristallisiert aber bei Temperaturen oberhalb von etwa 1200°C (Speziallegierungen bei ca. 1700°C). Die Rekristallisation ist mit einer starken Abnahme von Festigkeit und Härte verbunden, so daß für den Einsatz in Druckbehälter, wie Gasdrucksinteranlagen und Heißiso­ statpressen, ebenfalls große Wandstärken erforderliche sind, die zu größeren Meßfehlern durch Wärmeableitung führen.

Aus den oben genannten Gründen ist die Temperaturmessung bei hohen Temperaturen in Apparaturen mit Überdruck technisch bisher nicht befriedigend gelöst, da die unter Überdruck stehende Atmosphäre bei technischen Prozessen in der Regel mit Spuren von "Thermoelementgiften" ver­ unreinigt ist. Stand der Technik ist es daher, entweder auf eine Temperaturmessung zu verzichten und die Tem­ peratur der Anlage über die Leistungsaufnahme der Hei­ zung zu regeln oder die Thermoelemente in kurzen Ab­ ständen auszutauschen. Das erstere ist nur bei Prozessen möglich, bei denen eine exakte Temperaturführung nicht nötig ist, da durch Alterung von Heizleiter und Iso­ lationsmaterial die Temperatur driftet. Bei der zweiten Alternative entstehen erhebliche Kosten besonders bei Temperaturen oberhalb 1800°C wo nur noch extrem teure Thermoelemente (z. B. W/Re-Thermopaare) eingesetzt werden können.

Ziel dieser Erfindung war es daher eine Meßvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die die oben beschriebenen Nachteile nicht beinhaltet.

Überraschenderweise konnte dies durch den Einsatz eines Glaskohlenstoffrohres als Thermoelementschutzrohr oder Pyrometersichtrohr erreicht werden. Glaskohlenstoffrohre sind in technischen Dimensionen und zu vergleichsweise günstigen Preisen erhältlich. Es überrascht, daß diese einfache Maßnahme eine störungsfreie und kostengünstige Temperaturmessung bei Überdruck ermöglicht. Der Einsatz von Glaskohlenstoff als Schutzrohr bei der Temperatur­ messung bei Umgebungsdruck entspricht nämlich dem Stand der Technik. Von den Herstellerfirmen dieses Materials wird bereits in den Prospekten mit diesem Anwendungs­ bereich geworben.

Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zur Temperaturmes­ sung bestehend aus einem einseitig geschlossenen Rohr ist dadurch gekennzeichnet, daß Glaskohlenstoff als Rohrmaterial verwendet wird. Die absolute Gas- und Flüssigkeitsdichtigkeit dieses Materials verbunden mit nur geringen Festigkeitsabweichungen bei Temperaturer­ höhung erlaubt eine fehlerfreie Temperaturmessung mit Thermoelement und/oder Pyrometer bis in den Temperatur­ bereich oberhalb 2500°C in nichtoxidierender Atmosphäre. Thermoelementalterung durch eindringende Fremdionen sowie Meßfehler bei der pyrometrischen Messung durch eindringende Zwischenmedien wurde bisher nicht beobach­ tet. Wegen der hohen Festigkeit des Glaskohlenstoffs kann in der Regel auf die Meßseite Umgebungsdruck zuge­ lassen werden. Der apparative Aufwand der erfindungsge­ mäßen Meßeinrichtung ist somit minimal. Die Wandstärken von in der Regel 1 bis 3 mm sind so gering, daß der Meß­ fehler durch Wärmeableitung tolerierbar ist.

Die sehr gute Temperaturwechselbeständigkeit erlaubt den Einsatz der Meßeinrichtung selbst in Apparaturen, mit häufigen und kurzen Auf- und Abheizzyklen, wie Tempe­ raturmessung in Gasdrucksinteranlagen und Heißisostat­ pressen. In Gasdrucksinteranlagen werden keramische und pulvermetallurgische Formteile unter Gasdruck bis ca. 10⁷ Pa und bei Temperaturen bis 2500°C hergestellt. In Heißisostatpressen werden Drücke bis 2×10⁸ Pa erreicht. Die Sinterverfahren zur Herstellung von Formteilen aus Hochleistungswerkstoffen. In diesen Apparaturen er­ fordern meist eine exakte Temperaturführung während der Temperaturbehandlung, so daß hier das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft angewendet werden kann.

Claims (3)

1. Meßvorrichtung zur Temperaturmessung, bestehend aus einem einseitig geschlossenen Rohr, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Glaskohlenstoff als Rohrmaterial ver­ wendet wird.

2. Verwendung der Meßvorrichtung gemäß Anspruch 1 für Temperaturmessungen in Gasdrucksinteranlagen.

3. Verwendung der Meßvorrichtung gemäß Anspruch 1 für Temperaturmessungen in Heißisostatpressen.