THERMOELEMENT PRAXIS

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1 Dipl.-Phys. Dr.-Ing. Läsziö Kortvelyessy THERMOELEMENT PRAXIS NEUE THEORETISCHE GRUNDLAGEN UND DEREN UMSETZUNG 3. Auflage VULKAN-VERLAG ESSEN

2 XI 0. Allgemeines Geschichtliches Die Platinrhodium-Thermoelemente Die Wolframrhenium-Thermoelemente Die elektronische Temperaturmessung Die Rolle der internationalen Norm und der Temperaturverteilungsmessung Heutiger Zustand: sehr gute Instrumente, aber oft falscher Einsatz Die Thermospannung Erfahrungen mit der Thermospannung Elektronen-Modell der Thermospannung, Was ist ein Metall? Was ist die Temperatur? Der thermoelektrische Effekt Das Thermoelement Warum entsteht in einem Stromkreis mit der gleichen Temperatur keine Thermospannung? Warum entsteht in einem Stromkreis keine Thermospannung, in dem das Material überall gleich ist? Warum ist das Thermoelement unbegrenzt miniaturisierbar? V- um ist die Thermospannung so klein? Warum ändert sich die Thermospannung bei Diffusion? Warum driften die Thermoelemente fast immer abwärts? Warum verbrauchen sich die Thermodrähte nicht? Warum sind Platin, Nickel und Gold thermoelektrisch negativ? Warum haben Kupfer, Gold und Silber miteinander eine kleine Thermospannung? Warum ist die Messung von sehr tiefen Temperaturen problematisch? Warum zeigt oft ein altes Thermoelement tiefer im Ofen mehr an? 39 ' Warum ist die Herstellungsart der Meßstelle fast ohne Bedeutung? Warum wird die Thermospannung kleiner, wenn die Vergleichsstelle erwärmt wird? Warum sind Meßstelle und Vergleichsstelle austauschbar? Warum entsteht manchmal keine Thermospannung bei ungleichmäßiger Temperatur und verschiedenem Material? Warum sind die neuerdings hergestellten Thermoelemente genauer? ; Warum sind die Digitalinstrumente genauer? 45

3 XII 0.3 Wo liegt der Fehler? Eine oder mehrere Ziffern des Digitalinstrumentes fehlen Ein Digitalinstrument blinkt Ein elektronisches Instrument zeigt eine unwahrscheinlich hohe Temperatur an Drehspulinstrument ohne Verstärker zeigt instabile 0 C an Die Anzeige eines Digitalinstrumentes springt mehr als 1 Digit hin und her Erscheinung Unsichere Temperaturkurve Die Meßstelle Meßstellen mit wenig Wärmeleitfehlern (Statik) Konventionelle Meßstellenleichmäßigen Temperaturfeldern (zum Beispiel in modernen Öfen) Meßstellen in ungleichmäßigen Einhomogenen) Temperaturfeldern Konventionelle Meßstellen im inhomogenen Temperaturfeld Doppelmessung mit zwei konventionellen Meßstellen Virtuelle Meßstelle der konventioneilen Meßstellen Meßstellen für die Messung in ungleichmäßigen Temperaturfeldern Schnelle Meßstellen (Dynamik) Meßstelle eingelegt, die Zeitkonstante Anfangsgeschwindigkeit (Anfangszeitkonstante) Mit dünneren Meßstellen kann man schneller messen Einfluß der Umgebung Wie macht man fertige Thermoelemente schneller? Meßstellen für die Oberflächentemperaturmessung Falsche Oberflächentemperaturmessung mit Kupferplättchen Die richtige Oberflächentemperaturmessung an einer Stahloder Keramikwand Falsche Oberflächentemperaturmessung mit Mantelthermoelementen Die Meßstelle bewegt sich Zurückziehen oder hineinschieben? Ständige oder periodische Bewegung? Quasistatische Temperaturprofilgeräte Automatische Profilmessung mit Korrektur Wo liegt der Fehler? Dickeres Thermoelement zeigt scheinbar niedrigere Temperaturschwankung an Oberflächenmessung ist druckempfindlich Gelötete Meßstelle macht unverständliche Sprungkurven Temperaturmessung der bewegten Oberfläche Angedrückte Meßstelle zeigt zu wenig an Neues Thermoelement zeigt um etwa 20 K mehr an Verdrillte Meßstelle zeigt falsch an Erscheinung Meßstelle berührt fremdes Metall Einige Chargen-Thermoelemente zeigen unsicher an Andersherum eingesteckter Netzstecker bringt kleinere Störungen Die Erdung des Meßinstrumenten-Gehäuses bringt sehr große Störungen 132

4 XIII Eine Steckdose ist störungsfrei, die andere nicht Erscheinung Kleine Wechselspannung an der Meßstelle, trotzdem große Störung Thermodrähte Thermodrähte, Thermopaar, Thermoschenkel Beispiele Die Thermodrähte und das Thermopaar Die Thermodrähte und die Thermoelementschenkel Zuverlässigkeit der Thermodrähte Auswahl der Thermodrähte Warum ändert sich die Thermospannung? Forderungen an die Thermodrähte Auswahl der Thermodrähte nach Norm Beschränkung der Auswahl der Thermodrähte Garantie des Thermoelementes Lebensdauer der Thermodrähte, kann man darüber sprechen? Krankheit" der Thermodrähte Durchschnittliche Lebensdauer der Nickelchrom-Nickelaluminium(K)-Thermodrähte Durchschnittliche Lebensdauer der Platinrhodium-Platin (S und R)-Thermodrähte Durchschnittliche Lebensdauer der Platinrhodium 30 %- Platinrhodium 6 % (B)-Thermodrähte Durchschnittliche Lebensdauer der Wolframrhenium-Thermodrähte Vergleich zwischen den Driftfunktionen der Thermodrähte Lebensdauer im Kältebereich (0,1-400 K) Lebensdauer bei Ausschaltzeiten Qualitative Folgerungen für die Praxis Schutzrohre für die Thermodrähte Formen der Schutzrohre Auswahl der Schutzrohre nach Normen Auswahl der Schutzrohre in Berührung von festen Körpern Schutzrohre für die Messung in Flüssigkeiten ' Auswahl der Schutzrohre in Schmelzen (Tafel 2.1 4) Auswahl der Schutzrohre in Gasen Schutzrohrentwicklung [166] Durchführungen für die Thermodrähte Auswahl der Durchführungen in Luft Thermoelektrischer Kurz- und Massenschluß in der Durchführung Durchführungen für Schutzgasöfen Durchführungen für (Hoch)druckanlagen Durchführungen für Vakuum-Wärmebehandlungsanlagen Durchführungen durch elektromagnetische Felder Thermospannung der Thermodrähte Thermoelement-Tafeln, Kurven und Formeln Normen der Thermospannung und ihrer Toleranzen 252

5 XIV Berechnung der Vergleichsstelle Interpolation Mathematische Interpolation Graphische Interpolation Rechner-Interpolation Thermospannung der Nickelchrom-Gold, kurz: NiCr-Au(a)-Thermodrähte zwischen 0,1 K und 300 K (= 27 C) bei einer gedachten Vergleichsstelle von 0 K Internationale Cu- C un?? i(t) -Thermodrähte Internationale NiCr-CuN i(e)-thermodrähte Internationale Eisen-Kupfernickel(J)- und DIN-Thermodrähte Internationale Nickelchrom-Nickelaluminium(K)- und DIN-Thermodrähte Internationale Platinrhodium 10 %-Platin(S) und DIN-Thermodrähte Internationale PtRh30%-PtRh6 /o(b)-thermodrähte WRe5%-WRe26%(e)-Thermodrähte Kontrolle der Thermodrähte Generelle Betrachtung der Kontrolle Einführung Begriffe Toleranzen der Wärmebehandlung Gefahren der Kontrolle Thermoelement-Thermometer ohne Kontrolle Kontrolle der Thermodrähte durch Austausch Vergleich zwischen den eingebauten Thermoelementen Mikroprozessor-Kontrolle Kontroll-Schutzrohr Kontrolle der Thermodrähte mit Vergleich (direkte Kontrolle) Kontroll-Öfchen für neue Thermoelemente Kontroll-Metallrohr in einem Ofen Fixpunkt-Kontrolle der Thermodrähte Kontrolle mit optischem Pyrometer Wann muß kontrolliert werden? Drift, Toleranz und Lebensdauer Wöchentliche Kontrolle? Kontrolltermin-Tafeln Computer-Kontrolle - Ein Thermoelement-Thermometer ohne Alterung Wo liegt der Fehler? Thermoelement gibt keine Thermospannung ab Erscheinung , Neu eingelegtes Platinrhodium-Platin-Thermoelement zeigt um 12 K mehr an Zusammengesuchte Thermoelemente ergeben unverständliche Temperaturverteilung Kalibrierte Thermoelemente ergeben eine unverständliche Temperaturverteilung Thermoelemente sind unterschiedlich kalibriert Wiederholung der Temperaturverteilungsmessung mit anderem Ergebnis Zwei Thermoelemente gegeneinander ausgetauscht Mantelthermoelemente liefern im Aufkohlungsgas falsche Ergebnisse. 367

6 XV Thermodrähte im Flußsäure-Dampf liefern fallende Temperatur Glasseide-isolierte Thermodrähte zeigen eine falsche Temperaturverteilung an Platin-Thermodrähte im Chromnickel-Mantel sind schnell verdriftet Zwei Öfen stören sich gegenseitig Bei einer Temperatur höher als 500 C tritt eine Störung auf Beim Ausschalten sind die Störungen weg Beim Ausschalten sind die Störungen nicht weg Störspannungen über 1400 C V Störspannung im gasbeheizten Ofen Gegen Störspannungen schützt kein Metallschutzrohr Erden hilft gegen Störspannungen selten Eine gemeinsame, geerdete Folie hilft nicht Geerdetes Mantelthermoelement stört Platin-Innenauskleidung ist zu teuer Störung tritt an einem Schreiber nur bei einer bestimmten Temperatur auf Leben diel mm dicken Thermodrähte länger? Kopf Beispiele und Definition Köpfe zum Öffnen, Thermodraht-Austausch Polarität im Kopf Korrosionsfreiheit im Kopf Komplizierte Köpfe Kopf mit Reserve-Thermodraht Kopf mit angedrückter Meßstelle Kopf mit Kontroll-Loch Kopf mit Schutzrohrgruppe: Dreifach-Thermoelement [10] Versiegelte Köpfe Köpfe mit Elektronik Fehlerfreie Köpfe Wo liegt der Fehler? Einige Stunden nach der Einschaltung zeigt sich eine falsche Anzeige Nach Erreichen des Sollwertes zeigen viele Thermoelement-Thermometer eine zu hohe Temperatur an Falsche Anzeige unter 0 C t Falsche Polarität in der Anzeige Ein NiCr-NiAI-Thermoelement zeigt um 143 K weniger an Erscheinung Wolframrhenium-Thermoelement zeigt während der Wärmebehandlung falsch an Drahtumflechtung im Kopf nicht erden Fingerverletzuhgen durch Drahtumflechtung Reaktion auf das Beklopfen des Kopfes Uneinstellbare Temperierung Mantelthermoelement ohne Kopf Mantelthermoelement gohne Kopf: einer der Thermodrähte bricht ab.. 410

7 XVI Kopf mit Fön erwärmt gibt eine Fehlanzeige Fehlanzeige durch Messingbuchsen im Kopf Prozeß-Parameter im kleinen Ofen sind nicht zu übernehmen Statt der Ofentemperatur wird die Kopftemperatur angezeigt 414 Mathematischer Teil M 416 Anhang 416 M 1 Formel der elektrischen Elemente 416 M 2 Elektrische Spannung in der Ultrazentrifuge 421 M 3 Die Elektronengas-Theorie für das Thermoelement 423 M 4 Das Kontaktpotential 427 M 5 Meßstelle im inhomogenen Temperaturfeld 431 M 6 Temperaturverteilung in einem Loch 433 M 7 MeßfehlerderThermoelement-Meßstelle 435 M 8 Gradient und Meßfehler 436 M 9 Die Bestimmung der Zeitkonstante 437 M 10 Abkühlung der Meßstelle 437 M 11 Anfangsgeschwindigkeit 440 M 12 Einstellung der Meßstelle auf eine höhere Temperatur 443 M 13 Logarithmische Analyse 445 M 14 Berechnung der sich bewegenden Meßstelle 450 M 15 Abklingen des Wärmeleitfehlers 455 M 16 Berechnung des dynamischen Fehlers 455 M 17 Computer-Interpolation 458 M 18 Abhängigkeit der Drift von der Einsatzzeit 460 M 19 Abhängigkeit der Drift von der Temperatur der Thermodrähte 467 M 20 Abhängigkeit der Druft von dem Thermodrahtdurchmesser 468 M21 Mathematische Verarbeitung der Thermospannung 473 Schrifttum 476 Stichwörterverzeichnis 483