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DE102007011022B3 - Immersion thermocouple for measuring temperature of molten steel, has platinum layers arranged on ceramic carriers, serving at adjustment position, and including side with thermo-wires and another side with connecting leads - Google Patents

Immersion thermocouple for measuring temperature of molten steel, has platinum layers arranged on ceramic carriers, serving at adjustment position, and including side with thermo-wires and another side with connecting leads Download PDF

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DE102007011022B3
DE102007011022B3 DE102007011022A DE102007011022A DE102007011022B3 DE 102007011022 B3 DE102007011022 B3 DE 102007011022B3 DE 102007011022 A DE102007011022 A DE 102007011022A DE 102007011022 A DE102007011022 A DE 102007011022A DE 102007011022 B3 DE102007011022 B3 DE 102007011022B3
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Germany
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thermo
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ceramic carriers
thermocouple
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German (de)
Inventor
Olaf Dr. Kiesewetter
Eva Witz
Volkmar Melchert
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UST Umweltsensortechnik GmbH
Original Assignee
UST Umweltsensortechnik GmbH
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G01K1/08Protective devices, e.g. casings
    • G01K1/12Protective devices, e.g. casings for preventing damage due to heat overloading
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/10Arrangements for compensating for auxiliary variables, e.g. length of lead

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Abstract

The thermocouple has thermo-wires (2.1, 2.2) attached to a junction (1). The thermo-wires lead to two ceramic carriers (3.1, 3.2) on which platinum layers (4.1, 4.2) are arranged. The platinum layers serve at an adjustment position, and have a side with the thermo-wires and another side with connecting leads (5.1, 5.2). The thermo-wires and the ceramic carriers are arranged in a protective pipe that is connected to a front side. The protective pipe is made of quartz or alumina. The protective pipe is arranged in a housing and fastened with a grouting.

Description

Die Erfindung betrifft ein Eintauchthermoelement, bei dem an eine Verbindungsstelle Thermodrähte angeschlossen sind.The The invention relates to an immersion thermocouple in which a connection point thermocouple wires are connected.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann zur Messung von Temperaturen von mehr als 1.500 °C verwendet werden. Bevorzugtes Einsatzgebiet ist die Messung der Temperatur von Stahlschmelzen.The inventive arrangement can be used to measure temperatures greater than 1,500 ° C become. Preferred field of application is the measurement of the temperature of molten steel.

Mit Thermoelementen können mit einfachen Mitteln Temperaturen gemessen und elektronisch ausgewertet werden, ohne dass externe Energiequellen benötigt werden.With Thermocouples can measured temperatures with simple means and electronically evaluated without the need for external energy sources.

Thermoelemente sind Bauteile, die aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen oder Halbleitern bestehen. Am offenen Ende wird eine elektrische Spannung erzeugt, wenn die Verbindungsstelle und die freien Enden unterschiedlichen Temperaturen ausgesetzt sind.thermocouples are components that are made of two different and one end interconnected metals or semiconductors. At the open End, an electrical voltage is generated when the junction and the free ends are exposed to different temperatures.

Da jedes Metall und jede Legierung einen thermoelektrischen Koeffizienten besitzt, der üblicherweise relativ zu Platin angegeben wird, kann aus der Thermospannung der Metallpaarung eines Thermoelementes die an der Verbindungsstelle herrschende Temperatur berechnet werden.There every metal and every alloy has a thermoelectric coefficient usually owns is given relative to platinum, can from the thermoelectric voltage of the Metal pairing of a thermocouple at the junction prevailing temperature are calculated.

Bei der Auswahl einer Materialpaarung zu Messzwecken strebt man eine hohe Thermospannung, hohe Linearität und hohe Korrosionsfestigkeit bzw. geringe Oxidation bei hohen Temperaturen an. Diese Ziele sind nicht mit einer einzigen Kombination erreichbar. Daher werden je nach Einsatzzweck unterschiedliche Materialpaarungen verwendet.at the selection of a material pairing for measurement purposes one strives for high thermoelectric voltage, high linearity and high corrosion resistance low oxidation at high temperatures. These goals are not reachable with a single combination. Therefore, depending on Purpose used different material pairings.

Weit verbreitete Thermoelementpaarungen bestehen aus Nickel – Chrom/Nickel (Typ K, häufigster Typ) und Platin – Platin/Rhodium (Typ S; für hohe Temperaturen). Für die Messungen hoher Temperaturen (T > 1600°C) werden auch Iridium-Iridium/Rhodium-Thermoelemente, für die Messung niedriger Temperaturen (T < -250°C) Gold/Eisen-Nickel/Chrom- oder Gold/Eisen-Gold/Silber-Thermoelemente verwendet.Far Common thermocouple pairs are made of nickel - chrome / nickel (Type K, most common Type) and platinum - platinum / rhodium (Type S; for high temperatures). For the measurements of high temperatures (T> 1600 ° C) are also iridium-iridium / rhodium thermocouples, for the measurement low temperatures (T <-250 ° C) gold / iron-nickel / chromium or gold / iron-gold / silver thermocouples used.

Um die Kosten niedrig zu halten, werden häufig zwischen Verbindungsstelle und freien Enden Ausgleichsleitungen aus kostengünstigeren Materialien eingesetzt. Für Anwendungen zur Hochtemperaturmessung sind diese Materialien wegen ihres niedrigen Schmelzpunktes nicht geeignet. Für diese Anwendungen müssen deshalb Platindrähte verwendet werden, die zur Kostenersparnis sehr dünn ausgeführt werden. Beispielsweise werden für Thermoelemente, die zur Temperaturmessungen an Stahlschmelzen verwendet werden, Drähte von 30 ... 40 mm Länge mit Durchmessern von 50 um eingesetzt. Da diese Thermoelemente wegen des Einsatzes bei sehr hohen Temperaturen nach kurzer Zeit selbst schmelzen und deshalb nur einmalig verwendet werden können, ist eine Kostensenkung für die kostenintensiven Platin-Ausgleichsleitungen von großer Bedeutung. Eine weitere Verringerung des Drahtdurchmessers scheidet dabei wegen der dann nicht mehr ausreichenden Haltbarkeit aus.Around Keeping costs low are common between liaison offices and free ends compensating lines made of less expensive materials used. For applications For high temperature measurement, these materials are because of their low Melting point not suitable. For these applications need therefore platinum wires used, which are carried out very thinly for cost savings. For example be for Thermocouples used for temperature measurements on steel melts be, wires from 30 ... 40 mm in length used with diameters of 50 um. Because of these thermocouples melt at very high temperatures after a short time and therefore can only be used once, is a cost reduction for the costly platinum balance leads of great importance. A further reduction of the wire diameter separates because of the then no longer sufficient durability.

Aus DE-AS 12 94 516 ist eine Thermoelementanordnung bekannt, welches zwei Thermodrähte besitzt, die am heißen Punkt miteinander verschmolzen sind. Der heiße Punkt ist derjenige Teil des Thermoelements, der der zu messenden Temperatur ausgesetzt ist. An den Schenkeln sind Leitungsdrähte, die zu Messinstrumenten führen, befestigt. Ein Isolier- und Schutzmantel bedeckt einen Teil der Schenkel und der Leitungen. Der Mantel besteht aus einem hitzebeständigen Metall und ist mit einem Isoliermaterial gefüllt, das die Schenkel und Leitungsdrähte innerhalb des Mantels voneinander in Abstand und isoliert hält.Out DE-AS 12 94 516 is a thermocouple assembly is known which has two thermocouples, which are fused together at the hot spot. The hot spot is the part of the thermocouple that is exposed to the temperature to be measured. On the thighs are lead wires, which lead to measuring instruments attached. An insulating and protective jacket covers part of the legs and the leads. The shell is made of a refractory metal and is filled with an insulating material that keeps the legs and leads within the shell spaced apart and insulated.

Ferner ist in DE-OS 25 55 441 eine Anordnung beschrieben, bei der einem Messschaltkreis in geeigneter Weise der durch ein Thermoelement erzeugten Spannung eine bestimmte Temperatur zugeordnet werden kann. Hierbei werden Temperaturänderungen an der Vergleichsstelle kompensiert, indem ein kompensierender Referenzwi derstand in Form eines temperaturempfindlichen Widerstandsmaterials auf einer gedruckten Schaltkreisplatte vorgesehen ist, die ihrerseits gegen eine isothermische Platte in solcher Weise anliegt, dass der Widerstand sich mit der isothermischen Platte in Kontakt befindet und dabei jeweils die Anschlussklemmen umgibt.Furthermore, in DE-OS 25 55 441 describes an arrangement in which a measurement circuit can be assigned to a certain temperature of the voltage generated by a thermocouple in a suitable manner. Hereby, temperature changes at the cold junction are compensated for by providing a compensating reference resistor in the form of a temperature-sensitive resistor material on a printed circuit board, which in turn bears against an isothermal plate in such a way that the resistor contacts the isothermal plate, each time surrounds the terminals.

Für den Einsatz bei sehr hohen Temperaturen sind diese Anordnungen nicht geeignet.For use at very high temperatures, these arrangements are not suitable.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine für den Einsatz bei hohen Temperaturen geeignete Anordnung zu schaffen, die eine Kostensenkung gegenüber bekannten Anordnungen ermöglicht.Of the The invention is therefore based on the object, one for use at high temperatures suitable arrangement to create a Cost reduction compared allows known arrangements.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Ausgleichsleitung, welche die in die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.The The object is achieved according to the invention with a compensation line, which has the features specified in claim 1, solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments are specified in the subclaims.

Bei der erfindungsgemäßen Anordnung führen kurze Thermodrähte zu zwei Keramikträgern, auf denen Platinschichten angeordnet sind, die auf einer Seite mit den Ausgleichsleitungen und auf der gegenüberliegenden Seite mit Anschlussdrähten versehen sind.at the inventive arrangement to lead short thermo wires to two ceramic carriers, on which platinum layers are arranged on one side with the compensating cables and on the opposite side with connecting wires are provided.

Besonders vorteilhaft ist dabei, dass sehr kurze Ausgleichsleitungen verwendet werden können, die beispielsweise nur eine Länge von 5 ... 10 mm aufweisen.Especially It is advantageous that uses very short compensation lines can be for example, only one length of 5 ... 10 mm.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sehen vor, dass die Anordnung der Keramikträger mit den Platinschichten und die Verbindungsstelle sowie die Anschlussdrähte in einem an der Vorderseite verschlossenem Schutzrohr angeordnet sind. Die Platinschichten können abgedeckt sein und wirken als preiswerte Hochtemperaturausgleichsleitung, da die Schichte nur 1 μm dick sein kann.advantageous Embodiments provide that the arrangement of the ceramic carrier with the platinum layers and the connection point and the connecting wires in one are arranged on the front closed protective tube. The Platinum layers can Be covered and act as a low-cost high-temperature compensation line, since the layer only 1 micron can be fat.

Besonders geeignet sind Schutzrohre aus Quarz oder Aluminiumoxid.Especially suitable are protective tubes made of quartz or aluminum oxide.

Eine zweckmäßige Ausführung sieht vor, dass das Schutzrohr in einem Gehäuse angeordnet ist, in dem es mit einem Verguss befestigt ist.A expedient embodiment sees in that the protective tube is arranged in a housing in which it is attached with a potting.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.The Invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the associated Show drawing:

1 eine Schnittdarstellung der Thermoelementanordnung und 1 a sectional view of the thermocouple assembly and

2 einen Schnitt durch die Gesamtmessanordnung. 2 a section through the entire measuring arrangement.

1 erläutert die Thermoelementanordnung. Die Verbindungsstelle 1 besteht aus einer PtRh6/PtRh30 – Anordnung mit den daran angeschlossenen Ausgleichsleitungen 2.1 und 2.2. Die Ausgleichsleitungen 2.1 und 2.2 weisen eine Länge von 5 ... 10 mm auf und führen zu den Platinschichten 4.1 und 4.2. Die Platinschichten 4.1 und 4.2 sind als dünne Schichten von ca. 1 μm Dicke auf die Keramikträger 3.1 und 3.2 aufgedampft. Als Keramikträger 3.1 und 3.2 dienen ca. 1 ... 2 mm dicke und 30 ... 40 mm lange Keramikstreifen. Auf der kalten Seite sind die Platinschichten 4.1 und 4.2 mit preisgünstigen Anschlussdrähten 5.1 und 5.2 verbunden, die aus Nickel, Silber oder einem anderen Material bestehen. 1 explains the thermocouple assembly. The connection point 1 consists of a PtRh6 / PtRh30 arrangement with the compensation cables connected to it 2.1 and 2.2 , The compensation lines 2.1 and 2.2 have a length of 5 ... 10 mm and lead to the platinum layers 4.1 and 4.2 , The platinum layers 4.1 and 4.2 are as thin layers of about 1 micron thickness on the ceramic substrate 3.1 and 3.2 evaporated. As a ceramic carrier 3.1 and 3.2 serve about 1 ... 2 mm thick and 30 ... 40 mm long ceramic strips. On the cold side are the platinum layers 4.1 and 4.2 with inexpensive connecting wires 5.1 and 5.2 connected, which consist of nickel, silver or another material.

In 2 ist die gesamte Messanordnung dargestellt. Die in der Beschreibung von 1 erläuterte Thermoelementanordnung ist von einem Schutzrohr 6 aus Quarz oder Aluminiumoxid umgeben, welches in einem Gehäuse 7 angeordnet ist. Im Gehäuse 7 sind die Bauteile in einem Verguss 8, der beispielsweise aus einer Schutzzementschicht besteht, befestigt. Die Anschlussdrähte 5.1 und 5.2 verbinden die Platinschichten 4.1 und 4.2 mit den Anschlussstiften 9.1 und 9.2.In 2 the entire measuring arrangement is shown. The in the description of 1 explained thermocouple assembly is of a protective tube 6 surrounded by quartz or alumina, which in a housing 7 is arranged. In the case 7 are the components in a potting 8th , which consists for example of a protective cement layer attached. The connecting wires 5.1 and 5.2 connect the platinum layers 4.1 and 4.2 with the pins 9.1 and 9.2 ,

11
Verbindungsstellejunction
22
Ausgleichsleitungcompensation line
33
Keramikträgerceramic carrier
44
Platinschichtplatinum layer
55
AnschlussdrahtLead wire
66
Schutzrohrthermowell
77
Gehäusecasing
88th
Vergussgrouting
99
Kontaktstiftpin

Claims (4)

Eintauchthermoelement, bei dem an eine Verbindungsstelle (1) Thermodrähte (2.1, 2.2) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Thermodrähte (2.1, 2.2) zu zwei Keramikträgern (3.1, 3.2) führen, auf denen Platinschichten (4.1, 4.2) angeordnet sind, die als Ausgleichsstelle dienen und auf einer Seite mit den Thermodrähten (2.1, 2.2) und auf einer gegenüberliegenden Seite mit Anschlussdrähten (5.1, 5.2) versehen sind.Immersion thermocouple, in which a connection point ( 1 ) Thermo wires ( 2.1 . 2.2 ), characterized in that the thermo wires ( 2.1 . 2.2 ) to two ceramic carriers ( 3.1 . 3.2 ), on which platinum layers ( 4.1 . 4.2 ) are arranged, which serve as a compensation point and on one side with the thermo wires ( 2.1 . 2.2 ) and on an opposite side with connecting wires ( 5.1 . 5.2 ) are provided. Eintauchthermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsstelle (1), die Thermodrähte (2.1, 2.2) und die Keramikträger (3.1, 3.2) in einem an der Vorderseite verschlossenem Schutzrohr (6) angeordnet sind.Immersion thermocouple according to claim 1, characterized in that the connection point ( 1 ), the thermocouple wires ( 2.1 . 2.2 ) and the ceramic carriers ( 3.1 . 3.2 ) in a protective tube closed at the front ( 6 ) are arranged. Eintauchthermoelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (6) aus Quarz oder Aluminiumoxid besteht.Immersion thermocouple according to claim 2, characterized in that the protective tube ( 6 ) consists of quartz or aluminum oxide. Eintauchthermoelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Schutzrohr (6) in einem Gehäuse (7) angeordnet ist, in dem es mit einem Verguss (8) befestigt ist.Immersion thermocouple according to claim 3, characterized in that the protective tube ( 6 ) in a housing ( 7 ), in which it is sealed with a potting ( 8th ) is attached.
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