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DE1155495B - Thermocouple for operating temperatures up to 2800 ° C - Google Patents

Thermocouple for operating temperatures up to 2800 ° C

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Publication number
DE1155495B
DE1155495B DEB55492A DEB0055492A DE1155495B DE 1155495 B DE1155495 B DE 1155495B DE B55492 A DEB55492 A DE B55492A DE B0055492 A DEB0055492 A DE B0055492A DE 1155495 B DE1155495 B DE 1155495B
Authority
DE
Germany
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tungsten
rhenium
thermocouple
leg
alloy
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Pending
Application number
DEB55492A
Other languages
German (de)
Inventor
Dewi Alwyn Davies
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ASSOCIATED ELECTRICAL IND RUGB
Original Assignee
ASSOCIATED ELECTRICAL IND RUGB
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Publication date
Application filed by ASSOCIATED ELECTRICAL IND RUGB filed Critical ASSOCIATED ELECTRICAL IND RUGB
Priority to DEB55492A priority Critical patent/DE1155495B/en
Publication of DE1155495B publication Critical patent/DE1155495B/en
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/851Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions
    • H10N10/854Thermoelectric active materials comprising inorganic compositions comprising only metals

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)

Description

Thermoelement für Betriebstemperaturen bis zu 2800° C Die Erfindung bezieht sich auf ein Thermoelement, das für Betriebstemperaturen. bis zu 2800° C geeignet ist, und dessen einer Schenkel aus einer Legierung besteht, die Rhenium enthält.Thermocouple for operating temperatures up to 2800 ° C The invention refers to a thermocouple that is used for operating temperatures. up to 2800 ° C is suitable, and one leg of which is made of an alloy, the rhenium contains.

Es ist eine Vorrichtung zur Messung hoher Temperaturen, insbesondere zwischen 1500 und 2000°C, mit Hilfe von aus hochschmelzenden Metallen aufgebauten Thermopaaren bekannt, die z. B. von :einem Rohr aus nichtmetallischen; temperaturbeständigen Werkstoffen, insbesondere aus gesinterten Oxiden, wie Thoriumoxid, Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Berylliumoxid umschlossen ist. Das Thermopaar enthält einen Schenkel aus Wolfram, während der andere Schenkel aus Rhenium oder Iridium-Rheni'um-Legierungen besteht. Statt dessen kann auch der erste Schenkel aus Iridium-Rhenium-Legierungen und der andere aus Iridium bestehen. All diese Ihermoelemente sind lediglich bis 2200° C geprüft, so daß der Eindruck besteht, daß sie jenseits dieser oberen. Temperaturgrenze nicht betriebssicher sind. Ein Thermoelement, dessen einer Schenkel aus Rhenium und dessen anderer Schenkel aus Wolfram besteht, zeigt einen derart gekrümmten Verlauf seiner Thermospannung mit zunehmender Temperatur, daß vermutet werden ruß, es durchlaufe oberhalb 2200° C einen Scheitel, der es zur Temperaturmessung unbrauchbar machen würde. Ein Thermoelement mit einem Schenkel aus Wolfram und einem weiteren aus einer Legierung von 30 % Iridium und 70 % Rhenium zeigt ein ähnliches Verhalten mit zunehmender Temperatur. Wenn. der Rheniumanteil bis auf 20 % in einer Legierung mit 80 % Iridium herabgesetzt ist, ist eine Krümmung des Verlaufs der Thermospannung im Temperaturbereich bis 2800° C unwahrscheinlich. Der Verlauf nähert sich dabei einem Thermoelement aus Iridium einerseits und Wolfram andererseits ohne Rheniumanteil an. Die Thermospannung dieses Iridium/Wolfram-Elementes zeigt von 1000 bis 2200' C einen völlig geradlinigen Verlauf, der wahrscheinlich bis 2800° C fortgesetzt wird; es eignet sich aber nicht zum Betrieb in einer wasserstoffhaltigen, reduzierenden Atmosphäre, so daß der Rheniumanteil notwendig erscheint.It is a device for measuring high temperatures, in particular between 1500 and 2000 ° C, with the help of made of refractory metals Thermocouples known that z. B. of: a tube made of non-metallic; temperature resistant Materials, in particular made of sintered oxides, such as thorium oxide, aluminum oxide, Zirconium oxide or beryllium oxide is enclosed. The thermocouple contains a leg made of tungsten, while the other leg is made of rhenium or iridium-rhenium alloys consists. Instead of this, the first leg can also be made from iridium-rhenium alloys and the other made of iridium. All of these thermocouples are only up to 2200 ° C checked, so that there is the impression that it is beyond this upper. Temperature limit are not operationally safe. A thermocouple, one leg of which is made of rhenium and whose other leg is made of tungsten, shows such a curved course Its thermoelectric voltage with increasing temperature suggests that soot is passing through it a vertex above 2200 ° C, which makes it unusable for temperature measurement would. A thermocouple with one leg made of tungsten and another made of one Alloy of 30% iridium and 70% rhenium shows a similar behavior with increasing Temperature. If. the rhenium content up to 20% in an alloy with 80% iridium is reduced, there is a curvature of the course of the thermoelectric voltage in the temperature range up to 2800 ° C unlikely. The course approaches a thermocouple made of iridium on the one hand and tungsten on the other hand with no rhenium content. The thermoelectric voltage this iridium / tungsten element shows a completely straight line from 1000 to 2200 ° C Course that will likely continue to 2800 ° C; but it is not suitable for operation in a hydrogen-containing, reducing atmosphere, so that the rhenium content seems necessary.

Ein Ziel der Erfindung isst daher einThermoelement :der eingangs bezeichneten Art, das einwandfrei, also ohne daß ein Bestandteil zu verdampfen beginnt, im Dauerbetrieb bis zu Temperaturen von 2800' C arbeitet, dessen Thermospannung nahezu geradlinig mit zunehmender Temperatur verläuft, und bei dem der Verlauf der Thermospannung im gesamten Be^ triebstemperaturbereich eine positive Neigung hat. Außerdem soll das Thermoelement gegen Wasserstoff und Stickstoff unempfindlich sein, wenn man von den Edelgasen :einmal absieht.One aim of the invention is therefore a thermocouple: of the type described at the beginning, which works properly, i.e. without any component starting to evaporate, in continuous operation up to temperatures of 2800 ° C, the thermal voltage of which runs almost in a straight line with increasing temperature, and in which the course the thermal voltage has a positive tendency in the entire operating temperature range. In addition, the thermocouple should be insensitive to hydrogen and nitrogen, if one disregards the noble gases: for once.

Gemäß der Erfindung besteht der Schenkel mit der Rhenium-Legierung aus einer Wolfram-Rhenium-Legierung. Vorzugsweise kann :diese 26 Gewichtsprozent Rhenium enthalten. Der andere Schenkel kann in an sich bei Thermoelementen bekannter Weise aus Wolfram oder Tautal oder aus einer Wolfram-Tantal-Legierung bestehen.According to the invention, the leg is made with the rhenium alloy made of a tungsten-rhenium alloy. Preferably: this can be 26 percent by weight Contain rhenium. The other leg can be known per se in thermocouples Way of tungsten or tantalum or a tungsten-tantalum alloy.

Überraschenderweise kann bei dem bekannten Thermoelement, dessen einer Schenkel aus Wolfram und dessen anderer Schenkel aus 80 % Iridium und 20 % Rhenium besteht, :das Iridium durch Wolfram ersetzt werden. Da der Rheniumanteil zur Vermeidung eines Scheitelwertes zwischen 2200 und 2800' C klein gehalten werden ruß, ist es nämlich fraglich, ob ein Thermoelement, dessen beide Schenkel aus Wolfram bestehen, von denen lediglich der eine einen kleinen Rheniumanteil aufweist, überhaupt noch eine ausreichende Thermospannung für Meßzwecke liefert. Auch Thermoelemente aus Wolfram und Tautal oder Wolfram und Molybdän sind als ziemlich unerfindlich bei hohen Temperaturen bekannt. Tantal wird sogar rnituuter als unbrauchbar für Thermopaare bezeichnet, weil es zu geringe Thermospannungen liefert. Auch ein Thermoelement, dessen,einer Schenkel nur aus Platin und dessen anderer Schenkel aus Platin und Rhenium besteht, wird als am wenigsten gegen Wärme beständig erklärt. Daher ist es um so :erstaunlicher, daß :die Thermoelemente gemäß der Erfindung vorzügliche Eigenschaften zum Messen höchster Temperaturen bis zu 2800° C aufweisen und lediglich von einer oxidierendem Atmosphäre geschädigt werden können.Surprisingly, in the known thermocouple, one leg of which consists of tungsten and the other leg of 80% iridium and 20% rhenium: the iridium can be replaced by tungsten. Since the rhenium content is kept small to avoid a peak value between 2200 and 2800 ° C, it is questionable whether a thermocouple whose two legs are made of tungsten, of which only one has a small rhenium content, still has sufficient thermal voltage for Provides measurement purposes. Thermocouples made of tungsten and tautal or tungsten and molybdenum are also known to be quite inexplicable at high temperatures. Tantalum is even generally described as unusable for thermocouples because it supplies too little thermal voltages. A thermocouple, one leg of which consists only of platinum and the other leg of platinum and rhenium, is also declared to be the least resistant to heat. It is therefore all the more astonishing that: the thermocouples according to the invention have excellent properties for measuring extremely high temperatures of up to 2800 ° C. and can only be damaged by an oxidizing atmosphere.

Die spezielle Zusammensetzung der zu verwendenden Rhenium-Wolfram-Legierung ist in großem Maße durch die Möglichkeit festgelegt, daß sie in einer für die Anfertigung von Thermoelementen geeigneten Form hergestellt wird. Da die übliche Form, in. der die Thermoelemente hergestellt werden, zwei mit ,ihren Enden verbundene Drähte ist, möchte man eine Legierung aus Rhenium und Wolfram zu einem Draht ausziehen können. Vom betrieblichen .Standpunkt aus ist ein. hoher Anteil an Rhenium vorteilhaft; je höher der Anteil des Rheniums in der Legierung ist, desto größer ist nämlich die :erzeugte Spannung. Eine Legierung aus Wolfram und Rhenium, die 26 Gewichtsprozent Rhenium enthält, kann zu einem Draht von passenden Abmessungen ausgezogen werden und stellt daher :eine bevorzugte Zusammensetzung dar. Es kann jedoch auch eine Zusammensetzung bis zu 38 Gewichtsprozent Rhenium verwendet werden.The special composition of the rhenium-tungsten alloy to be used is determined to a large extent by the possibility of having them in one for making is made of suitable shape by thermocouples. Since the usual form in. The the thermocouples are made is two wires connected at their ends, one would like to be able to pull an alloy of rhenium and tungsten into a wire. From an operational standpoint, a. high proportion of rhenium advantageous; namely, the higher the proportion of rhenium in the alloy, the greater it is the: generated tension. An alloy of tungsten and rhenium that is 26 percent by weight Contains rhenium can be drawn out into a wire of suitable dimensions and therefore: represents a preferred composition. However, it can also be a Composition up to 38 percent by weight rhenium can be used.

Der Schmelzpunkt des Wolframs beträgt 3380' C und der .des Rhemums 3167° C; ein Thermoelement, das als Metallkomponenten Wolfram und eine Wolfram-Rhenium-Legierung enthält, eignet sich für einen Betrieb bei einer Temperatur von 28000 C, wobei auf die Figur hingewiesen sei.The melting point of tungsten is 3380 ° C and that of the rhemums 3167 ° C; a thermocouple which contains tungsten and a tungsten-rhenium alloy as metal components is suitable for operation at a temperature of 28,000 ° C., reference being made to the figure.

In :der Zeichnung ist die Spa:nnungs-Temperatur-Kennünie eines aus zwei Schenkeln gebildeten Thermoelementes dargestellt, von denen der eine aus einer Wolfram Rhenium-Legierung mit 26 Gewichtsprozent Rhenium und der andere aus Wolfram besteht. Wie man erkennen kann, ist die Neigung der Kennlinie im gesamten Temperaturbereich von 0 bis 2800° C positiv und die Kennlinie merkbar geradlinig.In: the drawing, the spa: opening temperature characteristic is one off two legs formed thermocouple shown, one of which from a Tungsten rhenium alloy with 26 weight percent rhenium and the other made of tungsten consists. As can be seen, the slope of the characteristic curve is in the entire temperature range positive from 0 to 2800 ° C and the characteristic curve is noticeably straight.

Für den anderen Schenkel des Thermoelementes kann an Stelle von Wolfram Tautal benutzt werden, wobei eine Kennlinie erhalten wird, die eine etwas größere Neigung als :die in der Figur angegebene im Temperaturbereich oberhalb 2100' C besitzt. Die von einem Thermoelement mit Tantal an Stelle von Wolfram erzeugte Spannung beträgt jedoch nur ein Drittel von der, die mit einem Thermoelement erzeugbar ist, in dem Wolfram und eine Wolfram-Rhenium-Legierung als Komponenten verwendet sind. Wenn der Schenkel aus Tantal durch einen anderen ersetzt ist, der aus einer Legierung von Tantal mit Wolfram besteht, liegt die sich ergebende Kennlinie zwischen :denen, die mit Wolfram und einerWolfram-Rhenium-Legierung bzw. Tantal und einer Wolfram-Rhenium-Legierung erhalten werden.For the other leg of the thermocouple, instead of tungsten Tautal can be used, whereby a characteristic curve is obtained which is a somewhat larger one Inclination as: the one indicated in the figure in the temperature range above 2100 ° C. The voltage generated by a thermocouple with tantalum instead of tungsten is but only a third of that which can be generated with a thermocouple in the Tungsten and a tungsten-rhenium alloy are used as components. if the leg made of tantalum is replaced by another made of an alloy consists of tantalum with tungsten, the resulting characteristic is between: those those with tungsten and a tungsten-rhenium alloy or tantalum and a tungsten-rhenium alloy can be obtained.

Ein Thermoelement, dessen Schenkel aus Tantal oder einer Tantal-Wolfram-Legierung und einer Wolfram-Rhenium-Legierung bestehen, eignet sich jedoch nicht für eine Verwendung bei einer Temperatur unterhalb von 1000' C, weil die entwickelte elektromotorische Kraft für praktische Zwecke unzureichend ist. Da Tantal einen Schmelzpunkt von 2996° C besitzt, weist ein Thermoelement, dessen einer Schenkel aus Tantal gebildet ist, eine niedrigere maximale Betriebstemperatur als ein Thermoelement auf, bei dem Wolfram oder eine Wolfram-Tantal-Legierung benutzt wird.However, a thermocouple whose legs are made of tantalum or a tantalum-tungsten alloy and a tungsten-rhenium alloy is unsuitable for use at a temperature below 1000 ° C. because the electromotive force developed is insufficient for practical purposes. Since tantalum has a melting point of 2996 ° C., a thermocouple whose one leg is made of tantalum has a lower maximum operating temperature than a thermocouple using tungsten or a tungsten-tantalum alloy.

Alle Thermoelemente gemäß der Erfindung sind gegen Wasserstoff unempfindlich.All thermocouples according to the invention are insensitive to hydrogen.

Claims (3)

PATENTANSPRÜCHE: 1. Thermoelement, geeignet für Betriebstemperaturen bis 2800° C, dessen einer Schenkel aus einer Legierung besteht, die Rhenium enthält, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Schenkel aus einer Wolfram Rhenium-Legierung besteht. CLAIMS: 1. Thermocouple, suitable for operating temperatures up to 2800 ° C, one leg of which is made of an alloy containing rhenium, characterized in that this leg is made of a tungsten rhenium alloy consists. 2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wolfram-Rhenium-Legierung 26 Gewichtsprozent Rhenium enthält. 2. Thermocouple according to claim 1, characterized in that the tungsten-rhenium alloy Contains 26 percent by weight rhenium. 3. Thermoelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der andere Schenkel - in an sich bei Thermoelementen bekannter Weise - entweder aus Wolfram oder Tantal oder aus einer Tantal-Wolfram-Legierung besteht. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 970 487, 925 618, 616 623; USA.-Patentschriften Nr. 2 802 894, 2 012 465.3. Thermocouple according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the other leg - in itself known in thermocouples Way - either from tungsten or tantalum, or from a tantalum-tungsten alloy consists. Considered publications: German patent specifications No. 970 487, 925 618, 616 623; U.S. Patent Nos. 2,802,894, 2,012,465.
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