DE4433685C2 - Sensoranordnung zur Temperaturmessung, Temperaturmeßeinrichtung und - verfahren - Google Patents

Sensoranordnung zur Temperaturmessung, Temperaturmeßeinrichtung und - verfahren

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Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur Temperaturmessung von Schmelzen mit ei­ nem Behälter, der mindestens einen streifen- oder drahtförmigen Träger und an seiner Ober­ seite eine Öffnung aufweist, und mit einem in dem Behälter angeordneten Thermoelement. Die Erfindung betrifft auch eine Temperaturmeßeinrichtung und ein Verfahren zur Messung der Liquidus­ temperatur von Kryolithschmelzen.
Derartige Sensoranordnungen werden beispielsweise zur Bestimmung der Liquidustemperatur von Schmelzen verwendet, wobei die Abkühlungskurve der in den Behälter eingefüllten Schmelze bestimmt wird. Aus der Liquidustemperatur können Informationen über die Zusam­ mensetzung der Schmelze erhalten werden. Eine bekannte Vorrichtung der eingangs genann­ ten Art für die Messung der Liquidusmessung von Kryolithschmelzen weist einen Graphittiegel zur Probennahme auf, in dem ein Thermoelement angeordnet ist. Der Graphittiegel ist mittels eines Metallstabes an einer Halterung befestigt. Der Graphittiegel wird zur Probennahme in die Kryolithschmelze getaucht und mit einem Schmelzenvolumen von etwa 3 cm³ nach Erreichen des thermischen Gleichgewichtes aus der Schmelze herausgezogen. Danach wird die Abküh­ lungskurve registriert und daraus die Liquidustemperatur bestimmt. Die mit dieser Meßvorrich­ tung gewonnenen Werte für die Liquidustemperatur weisen eine Schwankung von mehreren Grad auf, sind also sehr ungenau, so daß die Meßergebnisse in der Praxis nicht zuverlässig benutzt werden können.
Eine andere Vorrichtung zur Temperaturmessung ist aus US 3,643,509 bekannt. Mit der hier beschriebenen Vorrichtung ist es möglich, Liquidusmessungen in Stahl vorzunehmen. Dabei ist ein Thermoelement in einem U-förmigen Quarzröhrchen innerhalb eines Behälters aus Quarz angeordnet. Der Behälter ist in üblicher Art an der Spitze eines Meßkopfes angeordnet und weist einige seitliche Einlauföffnungen für die Stahlschmelze auf. Diese Vorrichtung wird nach Eintauchen in die Stahlschmelze zur Messung der Badtemperatur und nach Herausziehen aus der Stahlschmelze zur Messung der Liquidustemperatur verwendet. Derartige Anordnungen sind allerdings für Schmelzen mit beispielsweise niedriger Schmelzwärme und schlechter Wär­ meleitfähigkeit, wie Kryolithschmelzen, nicht einsetzbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der die exakte Messung der Liquidustemperatur von Kryolithschmelzen ermög­ licht, und die gleichzeitig kostengünstig herstellbar ist. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin, eine Temperaturmeßeinrichtung und ein Verfahren zur Messung der Liquidustemperatur von Kryolithschmelzen bereitzustellen, mit dem Meßergebnisse mit einer hohen Genauigkeit repro­ duzierbar erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird für die eingangs beschriebene Sensoranordnung dadurch gelöst, daß der Behälter aus Metall gebildet ist und daß der mindestens eine Träger mit einem Vibrator starr verbunden ist. Ein derartiger Behälter hat eine relativ geringe Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so daß der Behälter nur eine sehr geringe Wärmemenge aus der Kryolithschmelze aufnehmen kann. Dabei ist es zweckmäßig, daß der Behälter eine Wand­ stärke von weniger als 0,5 mm, insbesondere weniger als 0,2 mm aufweist und daß als Material für den Behälter vorzugsweise Kupfer verwendet wird.
Bei Eintauchen einer kalten Anordnung in Kryolithschmelze erstarrt diese sofort an den Bautei­ len mit niedrigerer Temperatur, bei Erreichen eines Gleichgewichtszustandes wird dieses er­ starrte Kryolith jedoch wieder schmelzen. Dieses Wiederaufschmelzen erfolgt in einem dünn­ wandigen Behälter mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit am schnellsten, da zum einen nur eine sehr geringe Wärmemenge durch den Behälter aufgenommen werden kann, zum anderen wird der Behälter durch eine hohe Wärmeleitfähigkeit sehr schnell aufgeheizt.
Für eine exakte Messung ist es vorteilhaft, daß der Behälter eine gewellte Oberfläche aufweist. Dadurch wird die Oberfläche der erstarrenden Kryolithschmelze erhöht; die Erstarrung findet nach dem Herausziehen der Sensoranordnung aus der Schmelze zuerst im Bereich dieser Oberfläche statt und setzt sich dann gleichmäßig ins Innere der Schmelze fort.
Zweckmäßig ist es, daß das Thermoelement in einem Quarzrohr, insbesondere in einem ein­ seitig geschlossenen Quarzrohr angeordnet ist, welches eine nichtoxidische Schutzschicht aufweist. Ein derartiges Thermoelement ist beständig gegen Kryolithschmelze und kann mit ei­ nem kleinen Volumen ausgeführt werden, so daß nur eine sehr geringfügige Wärmeableitung über das Thermoelement erfolgt. Zweckmäßig ist es, die Schutzschicht aus einem temperatur­ beständigen Metall oder aus einer nichtoxidischen Keramik auszubilden, um die Resistenz ge­ genüber der Kryolithschmelze zu erhöhen. Für eine exakte Aufzeichnung der Abkühlungskurve ist es vorteilhaft, daß das Thermoelement etwa in der Mitte des Behälters angeordnet ist.
Um eine stabile Handhabung der Sensoranordnung zu sichern, ist es zweckmäßig, daß die Träger aus Metalldrähten gebildet sind, da diese eine hohe Resistenz gegenüber der Kryo­ lithschmelze aufweisen.
Die Aufgabe wird für eine Temperaturmeßeinrichtung mit einer Sensoranordnung der oben be­ schriebenen Art dadurch gelöst, daß der mindestens eine Träger an seiner dem Behälter abge­ wandten Seite in einer Hülse gehaltert ist und daß die Hülse mit einer Halterung lösbar verbun­ den ist. Es ist jedoch auch möglich, die Hülse unlösbar mit der Halterung zu verbinden. Eine derartige Anordnung gewährleistet eine hohe Stabilität und eine einfache Handhabung der Ein­ richtung während der Durchführung von Messungen. Zweckmäßig ist es, die Hülse im wesentli­ chen aus feuerfestem Material zu bilden, da dann die Länge der Träger verkürzt werden kann, ohne daß die Hülse während des Eintauchens des Behälters in die Schmelze durch die aus der Schmelze aufsteigende Wärme zerstört wird. Die Halterung kann beispielsweise als eine in der Metallurgie übliche Lanze oder Papprohr ausgeführt sein.
Vorteilhaft ist es, daß das Thermoelement in der Hülse gehaltert und mit einem Verbindungs­ stück der Hülse leitend verbunden ist und daß das Verbindungsstück mit Signalleitungen der Halterung in Kontakt steht. Dadurch sind der Behälter zur Entnahme der Schmelzenprobe und das Thermoelement zu einer Einheit zusammengefaßt, die aus der Halterung entfernt und ge­ gen eine neue Einheit nach der Messung ausgetauscht werden kann. Die Signalleitungen, die das elektrische Signal des Thermoelementes an eine Auswerteeinheit weiterleiten, können in­ nerhalb der Halterung geführt sein und sind so vor Beschädigung geschützt.
Für die Realisierung einer homogenen Erstarrung der Schmelze ist es vorteilhaft, daß die Hal­ terung mit einem Vibrator starr verbunden ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe für ein Verfahren zur Messung der Liquidustemperatur von Kryolithschmelzen dadurch gelöst, daß während der Messung der Abkühlungskurve der Kryolithschmelze in einem Behälter dieser Behälter vibriert. Durch die Vibrati­ on der Kryolithschmelze während des Abkühlens werden Unterkühlungseffekte in der Schmelze vermieden.
Nachfolgend wird die Erfindung an einem Ausführungsbeispiel anhand einer Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der Sensoranordnung,
Fig. 2 eine bevorzugte Ausführungsform des Behälters und
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Temperaturmeßeinrichtung einschließlich der Halterung.
Fig. 1 zeigt eine Sensoranordnung, bei der in einem Behälter 1 ein Thermoelement 2 ange­ ordnet ist. Der Behälter 1 ist aus Kupfer und weist eine Wandstärke von 0,1 mm auf. Die Drähte des Thermoelementes 2 sind innerhalb eines Quarzröhrchens angeordnet, das an seinem in den Behälter 1 hineinragenden Ende geschlossen ist. Das Quarzröhrchen weist eine Beschich­ tung aus Metall oder einer nichtoxidischen Keramik, beispielsweise TiB₂, TiN oder BN auf. Die­ se Schicht kann mittels Flammspritzen, Plasmaspritzen oder durch Aufdampfen aufgebracht werden. Auch eine Tauchbeschichtung oder ein ähnliches Beschichtungsverfahren sind möglich.
Der rotationssymmetrische Behälter 1 ist an drei aus Metalldrähten gebildeten Trägern 3 befe­ stigt. Die Träger 3 können beispielsweise mit dem Behälter 1 verschweißt sein. Als Material für die Träger 3 wird Stahl mit einem Durchmesser von 1 mm verwendet. Der Behälter 1 ist detail­ liert in Fig. 2 dargestellt. Dabei zeigt Fig. 2a eine Seitenansicht des Behälters 1 mit einer Öff­ nung 4, in der ein Träger 3 befestigt wird. Fig. 2b zeigt eine Draufsicht des Behälters 1; hierbei ist die gewellte Umfangsfläche deutlich erkennbar.
Die Träger 3 und das Thermoelement 2 sind mittels Zement 5 in einer Hülse 6 aus einem feuer­ festen Material, beispielsweise Kordierit befestigt in der Hülse 6 sind die Thermodrähte des Thermoelementes 2 mit Kontakten des Verbindungsstückes 7 verbunden. Die Hülse 6 ist, wie in Fig. 3 gezeigt, in dem Ende der Halterung 8 angeordnet. Dort sind die Kontakte des Verbin­ dungsstückes 7 leitend mit Signalleitungen verbunden, die durch die Halterung 8 hindurch geführt sind und über die Lanze 9 an einer nachgeschalteten Meß- und Auswerteelektronik an­ geschlossen werden können. Mit der Halterung 8 und der Lanze 9 ist starr ein Vibrator 10 ver­ bunden, der den Behälter 1 mit der zu messenden Kryolithschmelze während der Aufnahme der Abkühlungskurve in Schwingungen versetzt.
Die Frequenz der Schwingungen kann in einem sehr breiten Bereich gewählt werden, sie ist je­ doch zweckmäßigerweise größer als 50 Hz, um Unterkühlungseffekte der abkühlenden Schmelze zu vermeiden.

Claims (16)

1. Sensoranordnung zur Temperaturmessung von Schmelzen mit einem Behälter, der min­ destens einen streifen- oder drahtförmigen Träger und an seiner Oberseite eine Öffnung aufweist, und mit einem in dem Behälter angeordneten Thermoelement, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Behälter (1) aus Metall gebildet ist und daß der mindestens eine Träger (3) mit einem Vibrator (10) starr verbunden ist.
2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) eine Wandstärke von weniger als 0,5 mm aufweist.
3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke gerin­ ger ist als 0,2 mm.
4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) aus Kupfer gebildet ist.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) eine gewellte Oberfläche aufweist.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (2) in einem Quarzglasrohr angeordnet ist, das eine nichtoxidische Schutzschicht aufweist.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (2) in einem einseitig geschlossenen Quarzglasrohr angeordnet ist.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz­ schicht aus einem temperaturbeständigen Metall gebildet ist.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutz­ schicht aus einer nichtoxidischen Keramik gebildet ist.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (2) etwa in der Mitte des Behälters (1) angeordnet ist.
11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Träger (3) aus Metalldrähten gebildet sind.
12. Temperaturmeßeinrichtung mit einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Träger (3) an seiner dem Behälter (1) abgewandten Seite in einer Hülse (6) gehaltert ist und daß die Hülse (6) mit einer Halterung (8) verbunden ist.
13. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (6) im wesentlichen aus feuerfestem Material gebildet ist.
14. Temperaturmeßeinrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Thermoelement (2) in der Hülse (6) gehaltert und mit einem Verbindungsstück (7) der Hülse (6) leitend verbunden ist und daß das Verbindungsstück (7) mit Signalleitungen der Halterung (8) in Kontakt steht.
15. Temperaturmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeich­ net, daß die Halterung (8) mit dem Vibrator (10) starr verbunden ist.
16. Verfahren zur Messung der Liquidustemperatur von Kryolithschmelzen in einem Behälter, wobei die Abkühlungskurve der Kryolithschmelze gemessen wird, dadurch gekennzeich­ net, daß der Behälter (1) während des Abkühlens der Kryolithschmelze vibriert wird.
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