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Thermoelement mit gasdichtem Schutzrohr Zur Herstellung der Thermodrähte
von Thermoelementen verwendet man häufig solche Stoffe, die zu Dauermessungen bei
verhältnismä@ig hoher Temperatur geeignet wären, wenn sie bei dieser Temperatur
nicht oxydieren würden. So ist z, B. vorgeschlagen worden, Thermoelemente aus Nickeleisen
einerseits und Nickel, Nickelaluminium oder Nickelkupfer andererseits herzustellen,
weil solche Thermoelemente die Eigenschaft haben, daß ihre elektromotorische Kraft
bis zu verhältnismäßig hohen Temperaturen (etwa aoo° C) einen sehr geringen Wert
aufweist. Infolgedessen sind beiVerwendung derartiger Thermodrähte besondere Maßnahmen
zum Regeln oder Ausgleichen der Temperatur der kalten Lötstelle im allgemeinen nicht
erforderlich.
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Die genannten Legierungen, aber auch andere zur Herstellung von Thermodrähten
geeignete Stoffe, wie Eisen und Konstantan, lassen sich nun aber für Dauermessungen
mit Rücksicht auf die bei höheren Temperaturen einsetzende Zunderbildung nur bis
zu Temperaturen von etwa 8oo° C benutzen, während ihre sonstigen Eigenschaften,
insbesondere ihre mechanische Festigkeit, bei weit höheren Temperaturen noch ihre
Benutzung als Thermodrähte gestatten würden. Die Benutzung von Thermodrähten aus
derartigen Werkstoffen für Temperaturen über 8oo° C ist nun dadurch möglich, daß
sie in gasdichte Schutzrohre eingebaut werden, und es ist auch bereits bekannt,
Thermoelemente dieser Art mit einem auswechselbaren, durch eine Verschraubung gasdicht
geschlossenen Schutzrohr zu versehen. Man hat zu diesem Zweck die Thermodrähte in
einen aus Isolierstoff bestehenden Fassungsteil eingesetzt und dann versucht, diesen
mit den bisher in ähnlichen Fällen üblichen Mitteln, insbesondere Stopfbuchsendichtungen,
gasdicht in das Schutzrohr einzubauen. Es hat sich nun aber gezeigt, daß es auf
diese Weise nicht möglich ist, eine bei höheren Temperaturen dauernd wirksame Abdichtung
zu erreichen.
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Dies ist gemäß der Erfindung dadurch möglich, daß bei einem Thermoelement
mit auswechselbarem, durch eine Verschraubung gasdicht geschlossenem Schutzrohr,
bei dem die Thermodrähte aus solchen Stoffen bestehen, die bei der zu messenden
Temperatur oxydieren und in einen aus Isolierstoff bestehenden Fassungsteil gasdicht
eingesetzt sind, der Fassungsteil mittels einer Verschraubung unter Zwischenlage
eines Dichtungsringes gegen einen ringförmigen Ansatz des Schutz-
rohres gedrückt wird und daß die von der Verschraubung innerhalb
eines mit dem Schutzrohr verbundenen rohrförmigen Anschlußkör_@: pers zusammengehaltenen
Teile derart ;:'l§e:_messen sind, daß unter Berücksichtigung':d@xgewählten Werkstoffe
innerhalb der Lä@i9l'e. der Verschraubung die bei Temperaturände-@ ' rungen auftretende
Längenänderung des Anschlußkörpers gleich der Summe der Längenänderungen der Innenteile
ist. Durch Lösen der Verschraubung ist es jederzeit leicht möglich, das Schutzrohr,
das im Betrieb einer allmählichen Zerstörung ausgesetzt ist, auszuwechseln. Durch
die angegebene Bemessung der von der Verschraubung innerhalb des rohrförmigen Anschlußkörpers
zusammengehaltenen Teile kann man erreichen, daß auch bei wechselnden Temperaturen
der gasdichte Abschluß erhalten bleibt.
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Besonders wenn der durch die Einlötung oder Einschmelzung abgeschlossene
Innenraum des Schutzrohres mit Luft oder anderen Sauerstoff enthaltenen Gasen gefüllt
ist, ist es zweckmäßig, ihn soweit als möglich mit festen oder flüssigen Isolierstoffen
anzufüllen, so daß nur noch eine Gasmenge übrigbleibt, die zu klein ist, um eine
nennenswerte Oxydation der Drähte zu bewirken. Um die Oxydation ganz zu verhindern,
kann der übrigbleibende Raum in an sich bekannter Weise mit einem Schutzgas gefülltwerden,
das keinen Sauerstoff abgibt. Besonders zweckmäßig ist es, wenn man ein Schutzgas
verwendet, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Luft aufweist, z. B. Wasserstoff.
In manchen Fällen genügt es auch, wenn der Innenraum eine kleine Menge eines solchen
Stoffes enthält, der leicht oxydiert und daher den in dem Innenraum befindlichen
Sauerstoff aufnimmt, so da$ eine Oxydation der Thermodrähte verhindert wird. Als
solche Stoffe sind besonders Kohlenwasserstoffe, z. B. üle, geeignet.
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Durch die angegebenen Maßnahmen ist es in diesen Fällen, insbesondere
bei nicht zu hohen Temperaturen und bei Verwendung von auch bei der Höchsttemperatur
gasdichten Schutzrohren möglich, eine Oxydation der Thermodrähte im Betrieb zu vermeiden.
Unter weniger günstigen Umständen treten jedoch noch folgende Übelstände auf: Wenn
der Innenraum des Schutzrohres mit dem Gas bei Atmosphärendruck gefüllt wird, so
steigt der Innendruck mit der Temperatur an und kann bei der zu messenden hohen
Temperatur einen sehr erheblichen überdruck gegen die Außenluft erreichen. Dies
ist im vorliegenden Falle besonders unerwünscht, weil bei höheren Temperaturen die
Festigkeit der Schutzrohre im allgemeinen stark abnimmt. Außerdem nimmt in der Regel
auch die Durchlässigkeit 'der Schutzrohre für Gase bei höheren Temperaturen zu,
und auch die Festigkeit und Dichtigkeit der Abschlußteile wird in den meisten Fällen
bei höheren Temperaturen ab-:.Iehmen.
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";-- Diese Übelstände kann man nach einem weiteren Merkmal der Erfindung
vermeiden durch eine Gasfüllung des Innenraumes des Schutzrohres unter einem solchen
Unterdruck, daß das Gas bei der höchsten zu messenden Temperatur annähernd unter
dem gleichen Druck stehtwie der das Schutzrohr umgebende Außenraum.
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Um das Auftreten von zu hohen Gasdrücken im Innern des Schutzrohres
zu verhindern, kann mari gegebenenfalls an das Schutzrohr ein Ausgleichgefäß anschließen.
Wenn dieses mit festen Wandungen ausgeführt wird, so mu13 sein Rauminhalt möglichst
groß sein im Verhältnis zu dem Innenraum des Schutzrohres. Mit wesentlich kleineren
Abmessungen des Ausgleichgefäßes kann man auskommen, wenn man es mit nachgiebigen
Wänden versieht, so daß der Rauminhalt sich entsprechend dem jeweiligen Innendruck
verändern kann.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt.
Fig. r ist eine teilweise im Schnitt gezeichnete Ansicht eines gemäß der Erfindung
in ein metallisches Schutzrohr eingebauten Thermoelements. Fig.2 zeigt ebenfalls,
teilweise im Schnitt, eine entsprechende Anordnung mit keramischem Schutzrohr. Fig.
3 ist eine schematische Darstellung der Wärmeausdehnung der für die Abdichtung in
Betracht kommenden Teile bei einer Anordnung nach Fig. 2. In Fig. 4 ist eine Anordnung
mit einem nachgiebigen Ausgleichsgefäß im Schnitt dargestellt.
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In den Fig. z, 2 und q. sind die mit r bezeichneten Thermodrähte mittels
einer glasartigen Einschmelzmasse 2 in einen aus Isolierstoff bestehenden Fassungsteil
3 gasdicht eingeschmolzen. Der Fassungsteil 3 wird zweckmäßig aus einer keramischen
Masse, z. B. ' Porzellan:, aus Sinterkorund o. dgl., hergestellt. Die Einschmelzstelle
ist in den Figuren nur schematisch gezeichnet. Im allgemeinen wird es erforderlich
sein, besondere Einsatzdrähte vorzusehen, die aus solchen Stoffen bestehen, deren
Ausdehnungskoeffizient mit dem derEinschmelztnassemöglichst genau übereinstimmt
und an die einerseits die Thermodrähte und andererseits besondere Ableitungsdrähte,
vorzugsweise durch Löten oder Schweißen, angeschlossen sind. Die Thermodrähte lassen
sich auch in den Isolierteil nach neuerdings bekanntgewordenen Verfahren einlöten.
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Wenn ein aus Metall bestehendes Schutzrohr 4 verwendet werden kann,
so wird dieses
vorzugsweise gemäß Fig. i am offenen Ende erweitert,
so daß ein ringförmiger Ansatz io entsteht. Der erweiterte Teil des Rohres, der
als Anschlußkörper dient, ist mit i i bezeichnet. Auf den Ansatz iö wird unter Zwischenlage
eines Dichtungsringes 5 der Fassungsteil 3 aufgelegt. Durch eine Verschraubung 6
wird der erforderliche Druck erzeugt, wobei die Zwischenlage eines nachgiebigen
Ringes 7 zweckmäßig ist.
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Um die Dichtung unabhängig von Temperaturänderungen zu machen, werden
die von der Verschraubung zusammengehaltenen Teile 3, 5 und 7 unter Berücksichtigung
der zur Herstellung der betreffenden Teile verwendeten Werkstoffe so bemessen, daß
die bei Temperaturänderungen auftretende Längenänderung des Anschlußkörpers i i
innerhalb der Strecke L gleich der Summe der Längenänderungen der Innenteile 3,
5 und 7 ist. Dabei kann der Ring 7 federnd ausgebildet oder durch eine entsprechend
bemessene Feder ersetzt werden. Zur Isolierung der Thermodr ähte voneinander und
von dem metallischen Schutzrohr können in der üblichen Weise aufgereihte Isolierstücke
8 benutzt werden. Wenn das Schutzrohr mit Luft gefüllt ist, so können die Isolierstücke
8 so gestaltet und bemessen werden, .daß sie den Innenraum des Schutzrohres möglichst
weitgehend ausfüllen, damit er möglichst wenig Sauerstoff enthält.
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Bei Verwendung eines keramischen Schutzrohres 9 nach Fig. 2 ist es
zweckmäßig, dieses mit einem Flansch io zu versehen, der zusammen mit dem Fassungsteil
3 unter Zwischenlage eines Dichtungsringes 5 gasdicht in einen vorzugsweise aus
Metall bestehenden topfartigen Anschlußteil i i eingesetzt ist. Zwischen den Flansch
i o, das Schutzrohr 9 und den Auflagerrand des Anschlußteils i i wird zweckmäßig
ein etwas nachgiebiger Ring 12 eingelegt. Auch hier können die Ringe 7 und 12 oder
einer von ihnen federnd ausgebildet oder durch Federn ersetzt werden.
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In diesem Falle sind die von der Verschraubung zusammengehaltenen
Teile 3, 5, 7, io und i2 bei geeigneter Wahl der Werkstoffe so bemessen, daß die
Summe der Längenänderungen der Innenteile der Längenänderung des Anschlußteiles
i i innerhalb der Strecke L entspricht. Da die Ringe 5, 7 und 12 zweckmäßig aus
Metall hergestellt werden und daher einen im Vergleich zu den keramischen Werkstoffen,
aus denen die Teile 3 und io bestehen, hohen Ausdehnungskoeffizienten haben, kann
der Anschlußteil i i aus einer Metallegierung, z. B. Nickeleisen, hergestellt werden,
die so ausgewählt wird, daß ihr Ausdehnungskoeffizient die im vorstehenden angegebene
Bedingung erfüllt. Zur Erläuterung ist in Fig. 3 in übertriebenen Maßstab angedeutet,
wie die einzelnen Teile sich bei einer Temperaturerhöhung ausdehnen, wobei die Strecke
L, sich auf L, vergrößert.
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Fig..t zeigt eine Anordnung mit einem metallischen Schutzrohr 4. ähnlich
Fig. i und einem besonderen Ausdehnungsgefäß 13 mit nachgiebigen Wandungen. Das
Ausdehnungsgefäß ist nach Art einer 1Iembrandose gebaut und in geigneter Weise gasdicht,
z. B. durch Verschweißen oder Verlöten, einerseits mit dem Schutzrohr q. und andererseits
mit einem Anschlußteil 14 verbunden. In den Anschlußteil, der hier mit 1.4 bezeichnet
ist und in diesem Falle mit dem ringförmigen Ansatz iö versehen ist, ist in der
gleichen Weise wie bei der Anordnung nach Fig. i der die Einschmelzstelle enthaltende.
Fassungsteil 3 mittels einer Verschraubung 6 unter Zwischenlage der Ringe 5 und
7 gasdicht eingesetzt. Die Thermodrähte sind wieder in der üblichen Weise mit Ioslierstücken
8 versehen.
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Wenn das Thermoelement zur Temperaturmessung in einem Ofen benutzt
werden soll, wird das Schutzrohr 4 vorzugsweise so eingebaut, daß das Ausdehnungsgefäß
13 sich außerhalb der Ofenwandung befindet. Wenn sich nun die Luft im Innern des
Schutzrohres infolge der steigenden Ofentemperatur ausdehnt, so vergrößert sich
der Rauminhalt der Membrandose 13, wobei sich der Anschlußteil 14 mit den Thermodrähten
entsprechend anhebt.