DE1798127A1

DE1798127A1 - Schmelzbarer Kopf mit Thermoelement fuer Pyrometerrohre

Info

Publication number: DE1798127A1
Application number: DE19681798127
Authority: DE
Inventors: Andre Piaguet; Paul Vannucci
Original assignee: MECI MATERIEL ELECT CONTR
Current assignee: MECI MATERIEL ELECT CONTR
Priority date: 1967-08-31
Filing date: 1968-08-27
Publication date: 1971-11-04
Also published as: BE718875A; FR1541784A; ES357701A1; LU56604A1

Description

PIpI.-Ing. Egon PrSns 16.August 1968

Dr. Gertrud Hauser Dipl.*Ing. Gottfried Leiser

Palentanwälte • 8000 München - Paring

Eriubcrgeriira»· 19

Gas AK» S.A. ■..'.;

M.E.G.I. Materiel Sleotriaue de Controle et Industriell. 123 Boulevard- de ßrenelle, Paris/Frankreich '

Schmelzbarer Kopf mit !Thermoelement für Pyrometerrohre.

Die Erfindung betrifft einen schmelzbaren Kopf mit eingebautem Thermoelement, v/elcher zur Anbringung an dem Ende eines pyrometriachen Messrohrs zur Messung hoher Temperaturen, z.B. der Temperaturen von Bädern aus geschmolzenen Metallen, bestimmt ist. Derartige Messungen werden so vorgenommen, dass in das Metallbad der das Thermoelement enthaltende Kopf eingetaucht wird. Diese Teile werden durch die Wärme zerstört und bei jeder Messung ersetzt, das Thermoelement liefert jedoch vor seiner Zerstörung ein die Temperatur des Bades darstellendes Signal.

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Es sind Ausführungen bekannt, bei welchen die

beiden feinen das Thermoelement bildenden Drähte hintereinander in einem Rohr aus Quarz oder Glas mit sehr starkem Kieselerdegehalt angeordnet sind, dessen U-Form die Isolierung eines.jeden Drahtes ermöglicht, wobei die heisse Lötstelle etwa in der lutte des gebogenen Abschnitts des U liegt. Die Enden der beiden geradlinigen Schenkel des U sind in eine zylindrische feuerfeste Masse eingebettet. An dem dieser Einbettung entgegenge~ setzten Ende gestattet ein Schnellverbinder die Verbindung des Thermoelements mit einem Messtauchrohr, welches seinerseits mit dem Pyrometer verbunden ist. Der den Verbinder enthaltende Abschnitt des Tauchrohrs-ist im allgemeinen durch ein Rohr aus Pappe oder aus einem feuerfesten ¥erkstoff geschützt. Diese Ausführung führt zu einer sehr teuren Fabrikation, insbesondere infolge der Schwierigkeit der Verwendung von sehr feinen Drähten und der Notwendigkeit der Biegung des Schutzrohrs zu einem II.

Ferner unterliegen diese Shermoelemente sehr

scharfen Bedingungen hinsichtlich des Platzbedarfs. Das an seinem Ende den schmelzbaren Kopf tragende Tauchrohr muss nämlich genügend leicht bleiben, um ein leichtes Eintauchen des Kopfs in das geschmolzene Metall zu gestatten, dessen Temperatur gemessen werden soll. Ferner muss das Tauchrohr so kräftig sein, dass es diese unter industriellen Bedingungen ausgeführten Handhabungen aushält. Hieraus ergibt sich eine günstigste Bemessung für dae Tauchrohr und somit für den schmelzbaren Kopf und das in diesem untergebrachte Thermoelement. In dieser Hinsicht entsprechen die obigen U-förmigen Rohre schlecht den für den Platzbedarf gegebenen Bedingungen.

Um den Platzbedarf des schmelzbaren Thermoelements

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zu verringern, kann man die beiden Drähte desselben parallel anordnen. Ein durch ein Rohr aus einem feuerfesten Werkstoff gebildete Isolator wird über einen einzigen der beiden Drähte geschoben, v/o durch jeder Kontakt zwischen ihnen an einer von der heissen lötstelle verschiedenen Stelle verhindert wird. Die Anordnung befindet sich in einem an einem Ende geschlossenen geradlinigen Rohr aus Quarz oder Glas mit sehr starkem Kieselerdegehalt. Das offene Ende dieses Rohrs, durch welches die Drähte des Thermoelements austreten, ist in eine feuerfeste Masse eingebettet und mit dem Messtauchrohr verbunden, wie bei der vorher beschriebenen Vorrichtung.

Diese Ausfuhrungsform besitzt den Nachteil einer viel zu langsamen Ansprechgesciiwindigkeit infolge des "Vorhandenseins des Isolators aua feuerfestem Werkstoff. Ausserdem bewirkt die Wärmeleitfähigkeitdes Isolators einen Messfehler, selbst wenn man bis zur Herstellung des Temperaturgleichgewichts wartet. Schliesslich «rselsreEfc das Vorhandensein des Isolators die Fabrikation und erhöht den Gestehungspreis.

Die Erfindung bezweckt, die Herstellung von

schmelzbaren Thermoelementen zu ermöglichen, welche eine grosse Genauigkeit und eine grosss Ansprechgesehwindlgkeit haben, wobei jedoch ihr Gestehungspreis kleiner als der der bekannten Ausführungen ist. '

Das erflndungsgemässe schmelzbare Thermoelement zur Messung der Temperatur von Bädern aus geschmolzenen Metallen mit zwei Drähten aus einer !legierung aus einem Edelmetal und Rhodium, wobei der Rhodiumgehalt der "beiden Drähte verschieden Ist und sogar bei einem Draht bis auf null heruntergesetzt werden kann, wobei die Drähte an einem Ende zusaramengelotet sind, ist dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drähte' blank

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in einem an einem Ende geschlossenen Schutzrohr aus einem feuerfesten Werkstoff angeordnet sind.

Der einzige Isolierstoff zwischen den "beiden

Drähten wird durch Luft gebildet, wodurch eine grosse Ansprechgeschwindigkeit erzielt wird. Ausserdem wird infolge der geringen thermischen Masse der luft jeder Messfehler vermieden.

Gemäss einer bevorzugten Ausführung der Erfindung übersteigt der Durchmesser der beiden Drähte nicht 0,08 Millimeter, und der Abstand zwischen der Lötstelle der beiden Drahtr £ und dem Halter des Schutzrohrs beträgt wenigstens 12 Millimeter.

Hierdurch werden die Wärmeverluste durch die Leitfähigkeit der Drähte verringert.

Der Innendurchmesser des Schutzrohrs beträgt

vorzugsweise"höchstens drei Millimeter und seine Dicke höchstens einen Millimeter.

Hierdurch werden die Wärmeverluste durch Strahlung verringert, die Ansprechgeschwindigkeit des Systems wird erhöht, und der Sestehungspreis des Thermoelements wird herabgesetzt.
" Gemäss einer vorteilhaften Ausführungsform der

Erfindung ist die Konkavität der beiden Drähte in der Nähe ihrer Lötstelle dem offenen Ende des Schutzrohrs zugewandt, und die Tangenten an die beiden Drähte an ihrer Lötstelle bilden miteinander einen zwischen 50 und 150 Zentasimalgra^den liegenden Winkel« Hierdurch wird die Yerformungsfestigkeit der beiden - Drähte vergrossert, wodurch zufällige Kurzschlüsse zwischen den . ' 'Drähten verhindert werden, wenn sie der Temperatur des Bades aus' geschmolzenem Metall ausgesetzt werden, die Drähte können jedoch auüh gemäss den beiden einander schneidenden Seiten

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eines Dreiecks angeordnet werden. ■

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Pig. 1 ist ein Axialschnitt eines an einem Messtauchrohr angebrachten erfindungsgemässen Thermoelements.

Pig. 2 ist ein Schnitt längs der linie II-II der Pig. 1.

Pig. 3a, 3b zeigen schematisch ein teilweise geschnittenes mit dem vorhergehenden Thermoelement ausgerüstetes Messtauchrohr.

Bei der in Pig. 1 und 2 dargestellten Ausführung weist das Thermoelement im wesentlichen einen Draht 1 aus einer Platin-Rhodiumlegierung und einen Draht 2 ebenfalls aus einer Platin—Rhodiumlegierung auf, deren Rhodiumgehalt jedoch von der des Drahtes 1 verschieden ist und bis zu null gehen kann. Im besonderen können die nachstehenden Thermoelemente benutzt werden:

Platin + 10 °/o Rhodium /Platin

Platin + 30 fi Rhodium /Platin + 6 <?o Rhodium ,

Platin + 20 ⁰Jo Rhodium / Platin + 5 f« Rhodium Platin + 40 $ Rhodium / Platin +■ 20 $ Rhodium.

Es kann auch noch folgendes Thermoelement angeführt werden:
Iridium / 60 $ Iridium + 40■ ^- Rhodium ( oder 40 <fo Ir..+ 60 ft Rh).

Die Drähte 1 und 2 haben einen sehr geringen Durchmesser, welcher nicht 0,08 Millimeter übersteigt und vorzugsweise etwa 0,06 Millimeter beträgt.

Der Durchmesser ist insbesondere durch wirtschaftliche Gründe bestimmt. Der Gestehungspreis soll möglichst

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gering sein, was bedeutet, dass das Metallvolumen des Thermoelements möglichst klein sein soll, wobei jedoch die Herstellungsbedingungen zu berücksichtigen sind. Die Drähte 1 und 2 sind an einem Ende durch ein an sich bekanntes Verfahren zur Lötung ohne Zusatzmetall miteinander verlötet, so dass eine praktisch masselose Lötstelle 3 entsteht. Das zweite Ende des Drahtes 1 ist an einen Verbinder 4 aus Kupfer angelötet, während das zweite Ende des Drahtes 2 mit grösserem Rhodiumgehalt an einen Verbinder 5 aus einer Kupfer-Uickellegjßrung angelötet ist. Die Drähte 1 und 2 sind vorzugsweise, jedoch nicht unbedingt,

™ so ausgebildet, dass sie einen symmetrischen spitzbogenförmigen Verlauf haben, wie dies weiter unten näher erläutert ist.

Die Drähte 1 und 2 sind in einem zylindrischen Schutzrohr 6 aus Quarz oder Glas mit starkem Kieselerdegehalt angeordnet, welches an seinem der Lötstelle 3 benachbarten Ende geschlossen und an dem anderen Ende für den Durchtritt der Drähte 1 und 2 offen ist. Zwischen der Lötstelle 3 und dem offenen Ende des Rohrs 6 können die Drähte 1 und 2 geradlinig sein, so dass sie etwa ein gleichschenkliges Dreieck bilden,

mk dessen Spitze auf der Lötstelle 3 und dessen Grundseite in der Ebene des offenen Endes des Rohrs 6 liegt. Die Drähte 1 und 2 können leicht gebogen sein, die Konkavität ist dann aber dem offenen Ende des Rohrs 6 zugewandt. Die Drähte 1 und 2 können auch parallel zu der Achse des Rohrs 6 angeordnet und in der Nähe der Lötstelle 3 gebogen werden, wobei die gebogenen Teile entweder geradlinig oder etwas gekrümmt sind, wobei dann ihre Konkavität dem offenen Ende des Rohrs 6 zugewandt ist. Der von den Tangenten an die Drähte 1 und 2 an der Lötstelle 3 gebildete Winkel liegt zwischen 50 und 150 Zentisimalgraden.

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Der Innendurchmesser des Rohrs übersteigt nicht, drei Millimeter und seine Dicke beträgt höchstens einen Millimeter und liegt vorzugsweise in der Nähe von 0,5 Millimeter.

Das offene Ende des Rohrs 6 und die zwischen dem Ende des Rohrs 6 und den Terbindern 4 und 5 liegenden Abschnitte der Drähte 1 und 2 sind in einen feuerfesten Zement 7 eingelassen, welcher in ein zylindrisches Kunststoffgehäuse 8 eingebracht ist. Der Abstand zwischen äer Lötstelle 3 und dem Niveau 10 des Zements beträgt wenigstens 12 Millimeter für Drähte von 0,06 Millimeter Durchmesser. Praktisch liegt dieser Abstand zwischen 12 und 20 mm· Der Boden des Gehäuses 8 enthält zwei LÖcher für den Durchtritt der Verbinder 4 und 5· Ein Halter in'!Form eines Dreifusses aus Kunststoff ruht auf dem Boden des Gehäuses 8 und hält das Schutzrohr 6 bis zum Abbinden des Zements 7· Eine Kappe 11 aus Metall, wie Weicheisen, Kupfer oder Aluminium, ist auf das Gehäuse 5 aufgeschoben und schütztdas Rohr während der Handhabungen und des Transports.

Das gesamte so ausgebildete Thermoelement wird an einem Messtauchrohr angebracht, welches insbesondere (Pig. 3a, 3b) einen Kupferring 12 und einen Ring 13 aus einer Kupfer-Nickellegierung aufweist, mit welchen die Verbinder- 4 und 5 in Kontakt treten. Die Hinge 12 und 13 sind in einen Isolierstoff 14 eingebettet, z.B· Silikongummi, welcher in einer z.B· aus Weicheisen bestehenden Muffe 15 angeordnet iet· An die Ringe 12 und 13 sind mit einem nicht dargestellten Pyrometer verbundene aus dem Tauchrohr herausführende Drähte 17 angelötet. Das Tauchrohr wird durch ein Schutzrohr 16 aus Pappe oder einem feuerfesten Werkstoff geschützt, welches von einem mit einem* Handgriff 22 verbundenen Endstück 21 getragen wird. Das End-

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stuck 21 trägt auch einen koaxialen Stecker ti £tr dkii Anschluss des Pyrometers· Der Stecker 23 ist mit dfem Leitern. It türen fein. Koaxialkabelstuck 24 verbunden.

Zur Vornähme der Temperaturmessung wirdjdie da's Rohr 6 umgebende Kappe 11 in das geschmolzene Metall getaucht, falls das Metallbad von einer Schlackenschicht bedeckt ist, ist die Kappe 11 besonders zweckmässig, da sie dann das Rohr 6 während des Durchtritts durch die Schlackenschicht schützt; Sie Kappe 11 wird sehr schnell zersttnct, und das Rohr % steh·! unmittelbar mit dem Metall in Berührung.

Das erfindungsgemässe Thermoelement besiVat

sehr wesentliche Vorteile, welche durch die !Erfahrung bestätig% wurden und von dem besonderen erfindungsgemässen Aufbau herruhr#j..

Da die empfindlichen Drlhte 1 und t nur mit der Luft in unmittelbarer Berührung stehen, deren thermische Masse und Wärmeleitfähigkeit sehr gering sind, werden die durch die Wärmeverluste in den in der bisherigen Technik benutzten Isolatoren eingeführten Fehler vermieden, lerner wird die Ansprechgeschwindigkeit erheblich vergrössert. Ausgeführte "tfersuche haben gezeigt, dass ein Isolator aus gesindertem Aluminiumoxyd mit einem Innendurchmesser von 0,8 Millimeter und einem Aussendurchmesser von 1,2 Millimeter bei einer zu messenden Temperatur des Metalls von grossenordnungsmassig 1550° C je nach seinem Abstand von der Lötstelle 3 einen zwischen -5° C und -15° 0 liegenden Pehler einführt. Ferner ist die durch diesen Isolator eingeführte Ansprechzeit so gross, dass das Temperaturgleichgewicht der Lötstelle 3 nicht erreicht wird, bevor die Erwärmung der Verbinder des Messtauchrohrs unzulässig wird.

Die bekannten Thermoelemente mit zwei Drähten,

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welche hintereinander in einem U-förmigen Rohr angeordnet sind, bieten zwar einen ähnlichen Vorteil, ihr Gestehungspreis ist jedoch viel höher als der des erfindungsgemassen Thermoelements. Der Durchmesser der Drähte ist nämlich grosser, und die Krümmung des Schutzrohrs vergrassert noch den Gestehungspreis.

Es ist zu bemerken, dass der Einbau von zwei

blanken Drähten in ein an einem Ende geschlossenes zylindrisches Rohr durch den bekannten Stand der Technik nicht nahe gelegt wird., da die Gefahr eines Kurzschlusses zwischen den beiden Drähten diese Lösung bisher ausgeschieden hatte. Die erfindungsgemässe Anordnung wird insbesondere durch die kombinierte Wahl der Länge der Drähte 1 und 2, des von den T_angenten an der Lötstelle 3 gebildeten Winkels und der geradlinigen oder etwas gebogenen Anordnung der Drähte 1 und 2, wobei die Konkavität dem offenen Ende des Rohrs 6 zugewandt ist, ermöglicht.

Dank des geringen Durchmessers der Drähte 1 und 2 sind der Gestehungspreis und die Ansprechzeit sehr klein.

Der kleine Abstand von 12 Millimetern zwischen der Lötstelle 3 und dem Niveau 10 des Zements setzt den durch die Wärmeleitfähigkeit der Drähte verursachten Fehler auf vernachlässigbare Beträge herab. Rechnung und Versuche zeigen nämlich, dass der Fehler bei einem Abstand von 12 Millimetern nur -1° C beträgt, .während er für einen Abstand von 8 Millimetern auf - 8 C steigt, wenn die zu messende Temperatur in der Nähe von 1550° C liegte

Die Rechnung zeigt auch, dass der Durchmesser

des Schutzrohrs 6 eine grosse Bedeutung für die Genauigkeit hat, und Versuche haben gezeigt, dass der Fehler -1° C bei einem Innendurchmesser von 3 Millimetern betrug, während er für einen

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Innendurchmesser von 5 Millimetern auf -4⁰C stieg.

Die Dicke des Rohrs 6 beeinflusst die Ansprechzeit, welche bei einer Dicke von 0,5 Millimetern kleiner als 2 Sekunden ist.

Die Erfindung kann natürlich abgewandelt werden. So kann das erfindungsgemasse schmelzbare Thermoelement infolge seines geringen Platzbedarfs vorteilhaft an dem gleichen Kopf mit zwei ebenfalls schmelzbaren Elektroden angebracht werden, welche ein elektrochemisches Element für die Messung des Sauerstoffgehalts des Metallbades bilden. Der Vorteil dieser Anord-

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nung besteht darin, dass sie gleichzeitig die Messung der Temperatur und des Sauerstoffgehalts des Bades ermöglicht, wobei dieser letztere in Punktion der Temperatur an der genauen Meßstelle berichtigt wird. Man kann so einen schmelzbaren Kopf mit sehr kleinen Abmessungen erhalten, welcher eine ausgezeichnete Messgenauigkeit gewährleistet.

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Claims

Patentansprüche

.1·) Schmelzbares Thermoelement zur Messung der Temperatur von Badern aus geschmolzenen Metallen mit zwei Drähten aus einer legierung aus einem Edelmetall und Rhodium, wobei der Rhodiumgehalt bei beiden Drahten verschieden ist und bei einem derselben bis auf null heruntergehen kann, wobei Sie beiden Drahte an einem Ende zusammengelÖtet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Drahte (1, 2) blank in einem an einem Ende geschlossenen Schutzrohr (6) aus einem feuerfesten Werkstoff angeordnet sind.

2·) Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Drähte (1, 2) höchstens 0,OS Millimeter beträgt.

3·) Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Lötstelle (5) der beiden Drahte und dem Halter (10) des Schutzrohrs (6) wenigstens 12 Millimeter beträgt.

4·) Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennEeichnet, dass der Innendurchmesser des Schutzrohrs (6) höchstens drei Millimeter und seine Dicke höchstens 1 Millimeter betragt.·

5.) Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konkavität der Drähte (1, 2) in der Nähe der lötstelle (3) dem offenen Ende des Schutzrohrs (6) zugewandt ist.

6.) Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der von den Tangenten an die beiden Drähte 1, 2) in der ITahe der lötstelle (3) gebildete Winkel zwischen

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50 und 150 Zentigraden liegt.

7·) Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass seine beiden Drähte (1, 2) einen spitzbogenförmigen Terlauf haben.

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L e e r s e i t e