DE1204721B

DE1204721B - Thermoelement

Info

Publication number: DE1204721B
Application number: DEA39983A
Authority: DE
Inventors: Leroy Jack Gee
Original assignee: American Radiator and Standard Sanitary Corp
Current assignee: American Radiator and Standard Sanitary Corp
Priority date: 1961-04-18
Filing date: 1962-04-17
Publication date: 1965-11-11
Also published as: US3116168A; GB933137A

Description

Thermoelement Die Erfindung betrifft ein robust und gedrängt ausgebildetes Thermoelement mit zwei koaxial zueinander angeordneten Schenkeln, die an ihrem einen Ende direkt miteinander verbunden sind und zwlschen denen eine Metalloxydschicht angeordnet ist.
Das erfindungsgemäße Thermoelement ist zum Betrieb innerhalb eines Temperaturbereiches von 1927 bis 23150 C in oxydierender Atmosphäre geeignet. Es weist eine Lebensdauer von 100 bis 1000 Stunden auf und kann Temperaturänderungen von 5600 C/sek vertragen. In ruhiger Luft spricht es in einer Zeit von 2 bis 3 Sekunden an. Die erzielbare Thermospannung beträgt bei 19270 C 20 mV. Eine Genauigkeit von 1 1 0/o in den ersten 100 Betriebsstunden und von + 2 0/o in den darauffolgenden Betriebsstunden ist erzielbar.
Zur Messung hoher Temperaturen in oxydierender Atmosphäre sind seither pyrometrische Vorrichtungen und pneumatische Meßvorrichtungen verwendet worden. Derartige Anordnungen sind jedoch für die Messung des hier in Frage stehenden Temperaturbereiches nicht geeignet. Außerdem werden Thermosäulen der verschiedensten Art verwendet, die bis zu einer Temperatur von 22050 C eichbar sind. Derartige Meßanordnungen können jedoch nicht in oxydierender Umgebung arbeiten. Das gleichzeitigeAuftreten hoher Temperaturen und einer oxydierenden Atmosphäre bietet Schwierigkeiten, die bisher noch nicht befriedigt überwunden werden konnten. Insbesondere mußte dabei eine beträchtliche Vergrößerung der zusätzlichen, zum Schutz des Thermoelementes vorgesehenen Massen und der temperaturempfindlichen Flächen in Kauf genommen werden.
Die üblichen Verfahren zur Bestimmung der Temperatur bestanden in den folgenden Meßvorrichtungen: Ausdehnungsthermometer, Druckthermometer und Widerstandsthermometer, Thermosäulen, Pyrometer. Die auf einer Ausdehnung und Druckänderung beruhenden Meßvorrichtungen sind nur in demjenigen Temperaturbereich anwendbar, wo die physikalischen Eigenschaften des auf Temperaturänderungen ansprechenden Materials hinreichend bekannt und hinreichend linear sind. Deshalb fallen sie für die hier in Frage stehenden Temperaturbereiche im allgemeinen aus. Bei der Verwendung pyrometrischer Meßvorrichtungen muß das Emissionsvermögen der Strahlungsquelle bekannt sein, oder es müssen die für schwarze Körper geltenden Voraussetzungen vorliegen, wenn genaue Messungen durchgeführt werden sollen. Außerdem sind häufig die räumlichen Beschränkungen eines Meßgerätes derart, daß pyrometrische Anordnungen nicht verwendet werden kön- nen. So kommen für einen weiten Anwendungsbereich nur thermoelektrische oder Widerstandsthermometer in Frage.
Es ist bekannt, ein Thermoelement zu verwenden, das aus zwei koaxial zueinander angeordneten Schenkeln besteht, die an ihrem einen Ende direkt miteinander verbunden sind, sowie zwischen diesen Schenkeln zum Zwecke der Isolierung keramische Materialien anzubringen. Außerdem ist eine Anordnung bekanntgeworden, bei der der innere Schenkel des Thermoelementes aus Siliziumkarbid und der äußere Schenkel aus Platin besteht. Dabei hat sich als Nachteil herausgestellt, daß das Platin von dem Siliziumkarbid chemisch angegriffen wird, so daß deshalb besondere Maßnahmen getroffen werden mußten. Weiterhin ist es bekannt, für Thermoelemente zur Messung von hohen Temperaturen den einen Schenkel aus Iridium und den anderen aus einer Iridiumlegierung herzustellen.
Ein Thermoelement mit koaxial zueinander angeordneten, an ihrem einen Ende direkt miteinander verbundenen Schenkeln, und mit einer Metalloxydschicht zwischen diesen Schenkeln ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß das Schenkelpaar aus Iridium und Siliziumkarbid gebildet ist und auf den Außenschenkel eine aus einem Gettermaterial bestehende Schicht aufgebracht und auf die aus dem Gettermaterial bestehende Schicht eine weitere Metalloxydschicht aufgebracht ist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Thermoelementes, bei dem in einer Flamme eine aus Berylliumoxyd oder Thoriumoxyd bestehende Schicht auf den inneren, aus Iridium bestehenden Schenkel so aufgesprüht wird, daß dabei das eine Ende des Schenkels unbedeckt bleibt und daß der koaxiale äußere Schenkel durch Aufsintern von Siliziumkarbid auf die Berylliumoxyd- bzw. Thoriumoxydschicht und auf das freie Ende des Iridium-Thermoelementes erzeugt wird, daß als Gettermaterial Tantal oder Rhenium in einer Flamme auf den äußeren koaxialen Thermoelementenschenkel aufgesprüht wird und anschließend nochmals Berylliumoxyd und Tantaloxyd auf das Gettermaterial aufgesprüht wird.
Das erfindungsgemäße Thermoelement hat die oben angeführten Eigenschaften, die die Leistungsfähigkeit seither bekannter Thermoelemente wesentlich übertreffen. Die Herstellungsweise dieses Thermoelementes ist besonders einfach, weil eine direkte Sinterverbindung der beiden Schenkel des Thermoelementes angewendet wird. Ferner ist das erfindungsgemäße Thermoelement auch noch räumlich außerordentlich gedrängt.
Ein Ausführungsbeispiel des Thermoelementes nach der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erörtert. Von denZeichnungen zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Thermoelement, F i g. 2 einen Querschnitt entsprechend der Schnittlinie 2-2 der Fig. 1.
Die thermoelektrische Vorrichtung gemäß der F i g. 1 besteht aus dem inneren Schenkel 1 aus Iridium. Ein Isolierüberzug 3 aus einem Metalloxyd, vorzugsweise aus Berylliumoxyd oder Thoriumoxyd bestehend, ist auf den Schenkel 1 mit Ausnahme des äußersten linken Endes 2 in einer Flamme aufgesprüht. Auf den Überzug 3 und über das freiliegende Ende 2 des Elementes 1 ist eine Schicht 4 aufgebracht, die aus selbstbindendem Siliziumkarbid (SiC) besteht und als zweiter äußerer Schenkel des Thermoelementes dient. Auf den äußeren Schenkel 4 ist eine Schicht 5 aus einem Gettermaterial wie Tantal oder Rhenium in einer Flammenspritzvorrichtung aufgespritzt. Ferner wird auf die Schicht 5 eine äußere Isolierschicht 6 aufgespritzt, welche aus einem Metalloxyd wie Berylliumoxyd oder Thoriumoxyd bestehen kann.
Es können auch die Materialien, aus welchen die beiden Schenkel 1 und 4 hier beschrieben wurden, miteinander vertauscht werden, so daß der Schenkel 1 nicht aus Iridium, sondern aus Siliziumkarbid besteht, in welchem Fall der äußere Thermoelementschenkel 4 aus Iridium bestehen würde. Es ist jedoch zweckmäßiger, wenn der innere Thermoelementteil 1 aus Iridium besteht, da auf diese Weise das Iridium gegen Oxydation durch das übrige Material geschützt ist.
Das dargestellte Thermoelement ist robust und kann innerhalb eines Temperaturbereiches zwischen 1925 und 23200 C arbeiten und erfüllt die zuvor angeführten Bedingungen.
Die geometrischen Dimensionen des Thermoelementes sind nicht ausschlaggebend; es kann jedoch der Schenkell, welcher aus Iridium besteht, einen Durchmesser zwischen 0,25 und 0,38 mm haben, und die Isolierschicht3 kann eine Stärke von 0,127 mm haben. Iridium ist gegen eine Oxydation beständig, und die Oxydation, die sich noch ergeben könnte, wird durch die aus Gettermaterial bestehende Schicht 5 abgefangen.
Die aus einem Metalloxyd bestehenden Schichten sind für Gase durchlässig während einer beträchtlich langen Zeit. Daher ist die aus Gettermaterial bestehende Schicht 5 zweckmäßig.

Claims

Patentansprüche: 1. Thermoelement mit koaxial zueinander angeordneten Schenkeln, die an ihrem einen Ende direkt miteinander verbunden sind und zwischen denen eine Metalloxydschicht angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schenkelpaar (1, 4) aus Iridium und Siliziumkarbid gebildet ist und auf den Außenschenkel (4) eine aus einem Gettermaterial (5) bestehende Schicht aufgebracht und auf die aus dem Gettermaterial (5) bestehende Schicht (5) eine weitere Metalloxydschicht (6) aufgebracht ist.
2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die aus Gettermaterial bestehende Schicht (5) eine Tantalschicht oder eine Rheniumschicht ist.
3. Thermoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Metalloxydschichten (3, 6) Berylliumoxydschichten oder Thoriumoxydschichten sind.
4. Verfahren zur Herstellung eines Thermoelementes nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Flamme eine aus Berylliumoxyd oder Thoriumoxyd bestehende Schicht auf den inneren aus Iridium bestehenden Schenkel so aufgesprüht wird, daß dabei das eine Ende des Schenkels unbedeckt bleibt und daß der koaxiale äußere Schenkel durch Aufsintern von Siliziumkarbid auf die Berylliumoxyd- bzw. Thoriumoxydschicht und auf das freie Ende des Iridiumthermoelementes erzeugt wird und daß als Gettermaterial Tantal oder Rhenium in einer Flamme auf den äußeren koaxialen Thermoelementenschenkel aufgesprüht wird und anschließend nochmals Berylliumoxyd oder Tantaloxyd auf das Gettermaterial aufgesprüht wird.

In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 298739, 561 121, 633828, 970487; USA.-Patentschrift Nr. 2645675.