Wolfram-Thermoelemente

Internationale Entsprechung

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Dotierungsmerkmale

Wolfram-Rhenium-Thermoelemente sind für die Messung der höchsten Temperaturen verfügbar. Sie sind in der UdSSR seit 1956 erhältlich. Eine Beimischung von 5% Rhenium zur positiven TP-Elektrode erhöht deren Plastizität und Rekristallisationstemperatur. Um eine möglichst hohe Thermoelektrizität zu erreichen, sollte sich der Rheniumanteil in der negativen Thermoelektrode so weit wie möglich von dem der positiven Elektrode unterscheiden. Bei einem Rheniumanteil von 32 % und mehr in der W-Re-Legierung bilden sich jedoch oberhalb von 1100 °C intermetallische Phasen, und die Genauigkeit der Messwerte der Sensoren nimmt ab. Eine solche Legierung ist inhomogen - bei starker Erwärmung verdampft das Rhenium, was ebenfalls die Genauigkeit erhöht. Aus diesem Grund wird in den USA eine 25-26%ige Rheniumlegierung und in der UdSSR eine 20%ige Legierung verwendet. Allerdings nimmt die Genauigkeit des Thermoelementes BP5/20 bei t° 900-2100°C linear ab. Um die Stabilität der BP-Thermoelemente zu erhöhen, werden sie mit Siliziumdioxid-Alkalizusätzen legiert (0,1-0,5% KCl, 0,1-0,5% Al;, O3, 0,1-0,5% SiO2). Dadurch wird der Fehler bei Hochtemperaturmessungen um einen Faktor von bis zu 3 reduziert.

Einzelheiten der Kalibrierung

Die Teilungstabelle für Thermoelemente ВР5/20 wurde 1968 entwickelt. Die umfassendste Studie über die Fehlerzunahme aufgrund der Inhomogenität der ВР-Elektroden und der Isolationsüberbrückung bei hohen Temperaturen wurde von Prof. Dr. Gordov (VNIIM) durchgeführt. Die Spezifikationen für die Herstellung von BP-Thermoelementen wurden 1973 angenommen und in GOST 6616-74 aufgenommen. Im Jahr 1977 wurde GOST 3044-74 eingeführt und standardisierte NCSH (nominale statische Charakteristik), entwickelt auf der Grundlage der Temperaturskala MPTSh-68.

Das Thermoelement VR5/20 wurde von mehreren Organisationen kalibriert: in Jekaterinburg am Uraler Institut für Metrologie, in Lvov bei KB Termopribor und in Podolsk bei NPO Luch. Wir haben den MTCC eines Thermoelements in einem Vakuumofen bestimmt, indem wir Drähte aus Silber, Kupfer, Nickel, Platin, Rhodium, Iridium und Tantal geschmolzen haben, die auf die Arbeitsstelle des Thermoelements gewickelt waren. Bis zum Schmelzpunkt von Platin wurde der RMS-Fehler der Teilung am Rhodiumpunkt geschätzt. Die Messwerte des GP-Thermoelementes wurden mit dem Thermoelement PR30/6 (bis 1800°C) und einem optischen Pyrometer verglichen. Es wurde festgestellt, dass die Teilung von 80 % der HP-Thermoelemente eine Streuung der Werte von bis zu 1 % aufweist. Der Mindestfehler für ein Thermoelement der Klasse 2 BP5/20 wurde auf 0,5 % des Fehlers eines Thermoelementes vom Typ B (PR30/6) festgelegt. Für ein Thermoelement der Klasse 3 beträgt die Unsicherheit mehr als 0,5 %.

Schwankungen der prozentualen Zusammensetzung

Nach den Spezifikationen für Thermodrähte darf der Rheniumanteil in der Legierung um bis zu 0,5 % und der Anteil an Verunreinigungen um bis zu 0,1 % schwanken. Infolgedessen variiert der thermische EMK in verschiedenen Chargen von Draht. In einer Drahtspule ist eine Abweichung der thermischen EMK von bis zu 50 μV bei 1500 °C zulässig.
GOST 3044-77 standardisiert drei enge Kalibrierungen für das Thermoelement BP5/20: A-1, A-2 und A-3. Die Teilungen A-2 und A-3 befinden sich oberhalb bzw. unterhalb der Grundteilung A-1 mit einem Arbeitsbereich von 1000 bis 2500 °C und gehen nur bis 1800 °C.

Herstellung

In den 1980er Jahren wurden jährlich etwa 150 kg BP5 (BAP5) und BP20 Thermodrähte hergestellt. Die Drähte wurden für den Bedarf von wissenschaftlichen Forschungsinstituten und Konstruktionsbüros im Flugzeugbau verwendet und kamen bei der Herstellung von Verbundwerkstoffen zum Einsatz. Der Hauptabnehmer war die Metallurgie. Bei der Messung der Temperatur von geschmolzenem Metall ersetzten die BP-Thermoelemente sowohl in der Sowjetunion als auch in den RGW-Ländern erfolgreich die teuren Platin-Rhodium-Thermoelemente. Der Zusammenbruch des sozialistischen Lagers Anfang der 1990er Jahre führte zu einer Krise in der Industrieproduktion und einem Rückgang des Verbrauchs von Thermodrähten um 60 %. Die Wiederbelebung der Produktion erfordert nun immer mehr zuverlässige Hochtemperatursensoren, wie z. B. Thermoelemente.

Heute werden jährlich etwa 90 kg Thermoelementdraht mit einem Durchmesser von 0,35-0,5 mm (HP5 und HP20) und einer Gesamtlänge von bis zu 20 km hergestellt. Die Legierung wird durch Pulvermetallurgie hergestellt. Ein Gemisch aus Wolframpulver und Ammoniumperrenatsalz (NH4ReO4) wird zu Stapeln gepresst, dann geschmolzen und zu Draht gewalzt. Aufgrund des "schwimmenden" Rheniumanteils in den Legierungen BP5 und BP20 war es bisher nicht möglich, die thermoelektrischen Eigenschaften des Thermoelementes drastisch zu optimieren. Die jüngsten Fortschritte in der Mikrometallurgie, die Einführung von Nano-Legierungszusätzen und Verbesserungen in der Metallanalyse haben jedoch bereits zu einer Verbesserung der Situation geführt.

Die Verwendung von

Diese Thermoelemente werden nur im Vakuum oder in einer inerten Umgebung verwendet. Um ihren Anwendungsbereich zu erweitern, wurde eine spezielle, abgedichtete und mit Inertgas gefüllte Hülle entwickelt, die die Thermoelemente in einer Kohlenstoffumgebung (z. B. Vakuumofen mit Graphitheizungen) und in oxidierender Umgebung schützt. Ein abgedichtetes Thermoelement in einem Molybdän-Mantel ist beispielsweise für die Temperaturkontrolle in einem Vakuumofen zum Sintern von Brennstoffpellets ausgelegt und hat eine Lebensdauer von bis zu 1000 h bei 1750 °C in einer aggressiven Umgebung. Weitere abgedichtete VR-Temperaturwandler in Aluminium-Monokristallhüllen (Leukosaphir) mit einer Lebensdauer von 2000-3000 Stunden bei 1600 °C in oxidierenden Medien wurden entwickelt. Sie werden auch in Temperaturfühlern zur Überwachung der Temperatur von geschmolzenen Metallen, Salzen oder Glas verwendet.

Diese Temperaturfühler werden in stark korrosiven Umgebungen eingesetzt und ihre Lebensdauer hängt ausschließlich von der Eignung des Schutzmantels ab. Bei Temperaturen zwischen 1000 und 1700°C ersetzen sie die Platin-Rhodium-Thermoelemente, wenn der zulässige Fehler weniger als 0,5% beträgt.

Qualifizierung von Thermoelementdrähten

Durchgeführt in einem herkömmlichen Hochtemperaturofen. Die Thermoelemente, die aus Stücken von HP-Draht bestehen, die am Anfang und am Ende der Spulen entnommen werden, werden in eine Leukosaphir-Hülle eingesetzt und dort versiegelt. Die Kalibrierung erfolgt im Bereich von 600-1700°C mit einem Referenzthermoelement PR30/6, das im gleichen Ofen platziert ist. Mit dieser Methode, die einfacher und kostengünstiger ist als die Kalibrierung im Vakuumofen, lassen sich bis zu 90 % der Thermoelement-Kalibrierungsanwendungen realisieren. Da HP-Thermoelemente sehr zuverlässig und oft die einzige Möglichkeit sind, Temperaturen im Bereich von 1500-2500°C zu messen, sind sie in den CIS-Normen enthalten und überall gefragt.

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