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Vorrichtung zur Messung hoher Temperaturen Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung zur Messung hoher Temperaturen, insbesondere solcher zwischen I5oo
und 2ooo°, mit Hilfe von Thermopaaren, die aus hochschmelzenden Metallen oder deren
Legierungen aufgebaut sind.
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Es ist bekannt, für die Temperaturmessung Thermoelemente in Form sogenannter
Thermopaare zu benutzen, von denen die bekanntesten das Nickel-Chromnickel-Element
und das Platin-Platinrhodium-Element sind. Die Einfachheit und Genauigkeit der thermoelektrischen
Temperaturmessung legt den Wunsch nahe, die Vorteile und Annehmlichkeiten dieser
Meßmethode auch in einem Temperaturbereich anzuwenden, der mit den bisher bekannten
Thermopaaren nicht zugänglich war. Es handelt sich hier um Temperaturen oberhalb
I5oo bzw. I7oo°C, für die bisher ein zuverlässiges Thermopaar nicht zur Verfügung
stand. Man hat zwar versucht, durch Kombination der bekannten hochschmelzenden Metalle
solche Meßinstrumente zu schaffen; jedoch hat sich gezeigt, daß derartige Thermoelemente
den Bedürfnissen der Technik nicht oder doch nicht in allen Fällen zu genügen vermögen.
Der Grund liegt entweder in dem vergleichsweise noch zu niedrigen Schmelzpunkt oder
aber auch in der Empfindlichkeit des Drahtwerkstoffes, vor allem gegen thermische
Einflüsse, die leicht zu einer untunlichen Versprödung und damit zu frühzeitiger
Zerstörung des Elementes oder mindestens zur Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit
führen können.
Ähnliche Wirkungen hat auch die Änderung der Legierungszusammensetzung
durch Verdampfung einer Komponente bei den hohen Gebrauchstemperaturen. Bei Platinmetallen
wirkt sich die Empfindlichkeit gegen die sogenannten Platingifte ebenfalls nachteilig
aus. Daneben kommt es selbstverständlich auch darauf. an, solche Paarungen auszuwählen,
die eine genügend hohe Thermospannung ergeben und vor allem eine genügend hohe Änderung
der Thermospannung mit der Temperatur aufweisen.
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Die Erfindung beruht nun auf der Feststellung, daß gewisse Kombinationen
von temperaturbeständigen Werkstoffen die an ein Thermopaar für die Messung hoher
Temperaturen zu stellenden Anforderungen in optimaler Weise vereinigen, vorausgesetzt,
daß man diese Thermopaare in an sich bekannter Weise durch geeignete keramische
Apparaturen gasdicht abschließt und sie so dem Einfluß der Atmosphäre vollständig
oder wenigstens in einem solchen Maße entzieht, daß die Lebensdauer nicht mehr nachteilig
beeinträchtigt wird.
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Es wurde nun gefunden, daß man zu Meßvorrichtungen für hohe Temperaturen-
gelangt, wenn man Thermopaare auswählt, bei denen der eine Schenkel aus Wolfram
und der andere Schenkel aus Rhenium oder Iridium-Rhenium-Legierungen besteht oder
bei denen unter Beibehaltung der Iridium-Rhenium-Legierungen für den einen Schenkel
man für den anderen Schenkel Iridium verwendet. Voraussetzung ist, daß, wie schon
erwähnt, derartige Thermopaare gasdicht in eine an sich bekannte Armatur aus nichtmetallischen
Werkstoffen eingeschlossen sind, wofür sich besonders Rohre aus hochschmelzenden
Oxyden, wie etwa Aluminiumoxyd, Berylliumoxyd, Thoriumoxyd oder Zirkonoxyd, bewährt
haben.
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Im Gegensatz zu den genannten Kombinationen ergeben Thermopaare etwa
aus Tantal und Wolfram, aus Molybdän und Tantal oder aus Molybdän und Wolfram mit
oder ohne Zusatz, z. B. aus Wolfram und I% Eisen enthaltendem Molybdän, nur geringe
thermoelektrische Spannungen; auch die Temperaturänderung der Thermospannung ist
zu gering, als daß man auf diese Weise zu brauchbaren Temperaturmeßeinrichtungen
gelangen könnte. Die in der Literatur veröffentlichten Werte für Thermoelemente
mit Wolfram ermutigten keineswegs dazu, neue Thermoelemente auf dieser Basis, noch
dazu für Temperaturen bis zu 2ooo° und mehr, zu entwickeln. Zieht man außerdem in
Batracht, daß Wolfram-Thermoelemente, trotzdem ein gesteigertes Bedürfnis für die
Messung hoher Temperaturen in der Technik vorhanden war, sich nicht durchsetzen
konnten, so ist es selbstverständlich, daß es bei dem Fachmann zu einem gewissen
Vorurteil gegen die Brauchbarkeit von Thermoelementen mit Wolframschenkel kann Es
bedurfte zweifellos der Überwindung dieses Vorurteils und der dadurch gegebenen
Hemmung, um zu Thermoelementen zu gelangen, die für den praktischen Gebrauch bestens
geeignet sind, trotzdem der eine Schenkel aus Wolfram besteht.
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Bei Anwendung der neuen Kombinationen, z. B, bei Anwendung von Wolfram
einerseits und Rhenium oder Iridium-Rhenium-Legierungen andererseits, hat sich herausgestellt,
daß sich bei den genannten Thermopaaren für hohe Temperaturen überraschend hohe
Thermokräfte ergaben. Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt, wenn in der
Legierung einer der beiden Komponenten stark überwiegt; man verwendet mit gutem
Erfolg Legierungen mit mindestens 75 % Iridium (entsprechend höchstens 25 % Rhenium)
oder mindestens 6o % Rhenium (entsprechend höchstens 40°/° Iridium). Bevorzugt werden
Legierungen entweder mit 75 bis 8o0[, Iridium oder mit 6o bis 7o% Rhenium.
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Thermoelemente, bei denen ein Schenkel aus einer Iridium-Rhenium-Legierung
und der andere aus Iridium besteht, bieten für den technischen Gebrauch u. a. den
Vorteil, daß in gewissen Grenzen der Temperatureinfluß auf die sogenannte »Kaltlötstelle«
völlig zu vernachlässigen ist. Selbst wenn nämlich bei diesen Elementen die Kaltlötstelle
Temperaturen bis zu etwa 40o° annimmt, liegt bei Thermopaaren, deren legierter Schenkel
7o bis 9o % Rhenium enthält, die Thermospannung unter o,2 mV, ist also praktisch
zu vernachlässigen, wenn nicht überhaupt eine Spannungsumkehr eintritt. Ähnliche
Verhältnisse in bezug auf diese große Unabhängigkeit der Thermospannung der Heißlötstelle
von der Temperatur der Kaltlötstelle liegen auch vor bei Thermoelementen, bei denen
der eine Schenkel aus Iridium und der andere aus einer Iridium-Rhenium-Legierung
mit 2o bis 30 °% Rhenium besteht.
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Wählt man Schenkel aus Iridium und einer Iridium-Rhenium-Legierung,
so ergibt sich deren vorteilhafteste Zusammensetzung zu 5o bis 70 % Rhenium, Rest
Iridium. Thermoelemente aus Wolfram einerseits und Iridium-Rhenium-Legierungen mit
bis zu 40°% Iridium eignen sich besonders für den Temperaturbereich zwischen I500
und 2Ioo°, während der Aufbau des zweiten Schenkels aus einer Iridiumlegierung mit
bis zu 25 °% Rhenium zu einer Meßvorrichtung führt, die über den gesamten Temperaturbereich
zwischen Iooo und 220o° mit Erfolg benutzt werden kann.
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Die Abb. I zeigt an Hand eines Kurvenbildes die in mV angegebene Thermospannung
für vier Paare, bei denen sämtlich der eine Schenkel aus Wolfram besteht, während
der andere Schenkel entweder Iridium (Kurve I) oder Rhenium (Kurve 3) ist. Die Kurve
I dient der Veranschaulichung der thermoelektrischen Einordnung des Rheniums und
der Iridium-Rhenium-Legierungen. Bai den Paaren, deren Thermospannung durch die
Kurven 2 und 4 in Abhängigkeit von der Temperatur dargestellt ist, besteht der zweite
Schenkel aus einer Iridiumlegierung mit 200/, Rhenium (2) bzw. einer Rheniumlegierung
mit 3o°/° Iridium (4). In allen Fällen werden bei I5oo° bereits Thermospannungen
von über 2o mV erreicht.
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Ein Thermopaar mit einem Schenkel aus Rainiridium und dem zweiten
Schenkel aus einer Legierung von 6o °/° Rhenium und 40 °/° Iridium ergibt zwar nicht
so hohe Thermospannungen, jedoch reicht die Thermgspannung für die Schaffung eines
brauchbaren Maßgerätes auch mit einem solchen Thermopaar bei weitem aus, insbesondere
als in vielen Fällen die Temperaturänderung der Thermospannungen genügend groß ist.
Wie
aus der nachstehenden Tabelle, in der für die verschiedenen Temperaturbereiche die
Änderung der Thermospannung in µV für I°C zusammengestellt ist, hervorgeht, beträgt
bei den als brauchbar bekannten thermoelektrischen Paarungen die Temperaturänderung
der Thermokraft dE/dt im Meßbereich mindestens noch etwa Io µV/°C.
| Thermopaar Thermokraft dE/dt in µV/° C bei |
| 40o bis 5oo°C 8oo bis 9oo°C I2oo bis I3oo°C I7oo bis I8oo°C
I7oo bis 2000°C |
| Cu/Konstantan ............ 64 - - - |
| Fe/Konstantan ............ 57 69 - - |
| NiCr/Konstantan .......... 8o - - - |
| NiCr/Ni .................. 43 4I - - |
| PtRh/Pt ................. 9 II I2 - |
| PtRhx/PtRhy ............ 4 8 II II |
| Ir4oRh6o/Ir .............. 5 |
| W/Mo .................... 7 |
| Mo/Ta .................... |
| -3 |
| W/Ta .................... 5 |
| W/Ir ..................... 26 |
| W/Re .................... I0 |
| W/Ir30Re70 .............. I2 |
| W/Ir80Re20 .............. I8 |
| Ir/Ir 4o Re 6o .............. I4 |
Thermopaare aus hochschmelzenden Metallen, etwa in der Kombination Wolfram-Molybdän
oder Wolfram-Tantal oder Molybdän-Tantal erreichen diesen Mindestwert ebensowenig
wie etwa ein Thermopaar, bei dem der eine Schenkel aus Iridium und der andere aus
einer Iridiumlegierung mit 6o % Rhodium besteht. Dagegen ergeben sich für die in
der erfindungsgemäßen Temperaturmeßeinrichtung anzuwendenden Thermopaare Werte für
die dE/dt, die sämtlich über Io µV/° C, zum Teil sogar weit höher, liegen und damit
eine gute Meßgenauigkeit gewährleisten.
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Wie schon erwähnt, sind die erfindungsgemäß zu verwendenden Thermopaare
zum Aufbau einer einwandfrei arbeitenden Temperaturmeßvorrichtung gegen den Einfluß
der Atmosphäre zu schützen, so daß ein wesentlicher Bestandteil der Vorrichtung
die das eigentliche Thermopaar umgebende gasdichte Armatur aus nichtmetallischen
Werkstoffen bildet. Es ist bekannt, daß man die hochschmelzenden Oxyde, Aluminiumoxyd,
Zirkonoxyd, Thoriumoxyd und andere, bei entsprechender Reinheit der Ausgangswerkstoffe
und geeigneten Sintertemperaturen zu praktisch gasdichten Formkörpern verarbeiten
kann. Derartige Formkörper haben auch als Schutzrohre für Thermoelemente bereits
Anwendung gefunden. Es kommt jedoch bei der Vorrichtung gemäß der Erfindung entscheidend
darauf an, daß jeder Einfluß, insbesondere sauerstoffhaltiger Gase, auf das Thermopaar
mit Sicherheit ausgeschaltet ist. Man kann daher die Meßvorrichtung mit inerten
Gasen füllen oder laufend mit solchen Gasen spülen, die bei der Meßtemperatur keinerlei
schwerwiegende Einflüsse auf die das Thermopaar bildenden Werkstoffe ausüben. Sofern
man die Armatur gasdicht abschließt, ist eine Schutzgasbehandlung im allgemeinen
nicht erforderlich. Es empfiehlt sich jedoch nach einer vorteilhaften Ausführungsform
der Vorrichtung zur Beseitigung der Restmengen von Luft bzw. Sauerstoff, die sich
in der gasdichten Armatur befinden, in diese an sich bekannte Gettermetalle einzubringen,
sei es in Form von Pulver oder als geformte Einlagen. Solche Gettermetalle, wie
Titan, Tantal, Thorium oder Zirkon, sind imstande, Gase, wie Sauerstoff, Stickstoff
oder Dämpfe von Metalloiden, bei erhöhter Temperatur in fester Bindung aufzunehmen,
was beispielsweise geschieht, wenn die Meßeinrichtung zum ersten Mal auf Gebrauchstemperatur
erhitzt wird.
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Um eine genügende Abdichtung der aus nichtmetallischem Werkstoff bestehenden
Armatur zu erzielen, kann man auch nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
die keramische Schutzarmatur mit glasurartigen Überzügen aus Gemischen von hochschmelzenden
Oxyden mit einem entsprechenden Gehalt an solchen Oxyden, die als Flußmittel wirken,
versehen. Derartige oxydische Glasurgemische kommen vor allem in Betracht zur Abdichtung
von Verbindungsstellen der eigentlichen keramischen Armatur, sofern sich diese nicht
aus einem Stück geschlossen aufbauen lassen. Man wird zweckmäßig die Zusammensetzung
dieser Glasuren nach Art und Mengenanteil so auslegen, daß der Schmelz- bzw. Erweichungspunkt
in Anpassung an den jeweiligen Meßbereich zwischen xooo und
1700'C eingestellt
werden kann. Diese Glasuren benetzen den nichtmetallischen Werkstoff der Armatur
beim Schmelzen ausgezeichnet und bilden einen gleichmäßigen, festhaftenden Überzug,
wobei die Haftung dadurch verbessert wird, daß sie im allgemeinen untergeordnete
Anteile der Unterlage aufzulösen vermögen. Im übrigen sind solche Oxydgemische leicht
so einzustellen, daß sich ihr Wärmeausdehnungskoeffizient von dem der Unterlage
nicht nennenswert unterscheidet. Das Lösevermögen dieser Oxydgemische für den Werkstoff
der Unterlage, also beispielsweise für Aluminiumoxyd oder Zirkonoxyd, ermöglicht
es auch, insbesondere an Verbindungsstellen
der Schutzarmatur derartige
Dichtungen selbst noch bei Meßtemperaturen bis 2I0o°, die den Schmelzpunkt des Oxydgemisches
bei weitem übersteigen, zu benutzen, ohne daß darunter die Gasdichtigkeit der Verbindungsstelle
leidet. Derartige Oxydgemische, die, wie erwähnt, entweder als eine Art Glasurüberzug