Industrielle Temperaturmessungen sind oft durch anspruchsvolle Umgebungen gekennzeichnet. Die Wahl des richtigen Thermoelements ist entscheidend für die Prozesseffizienz sowie Sicherheit und/oder Produktqualität. Obwohl jede Anwendung einzigartig ist, werden wir in diesem Artikel einige Faktoren betrachten, die bei der Auswahl eines Thermoelements für jede der häufigsten Betriebsatmosphären zu berücksichtigen sind:
- Vakuum
- Reduzieren
- Oxidierend
- Inert
In den folgenden vier Abschnitten werden die am besten geeigneten Mantelmaterialien und geeigneten Thermoelementtypen für jede Umgebung zusammen mit einigen Beispielen für industrielle Anwendungen angegeben. Wir hoffen, dass dies Ihnen dabei hilft, eine fundierte Entscheidung zu treffen.
Dieser Artikel setzt grundlegende Kenntnisse darüber voraus, was bei der Auswahl eines Thermoelements und der Konstruktion einer Baugruppe berücksichtigt werden muss. Einen Überblick über allgemeinere Faktoren wie Temperaturbereich, Reaktionszeit, Platzierung und Genauigkeit erhalten Sie in diesem Artikel.
Temperaturmessung im Vakuum
Eine Vakuumumgebung ist eine Umgebung ohne Materie und wird in der Praxis als nahezu kein Gasdruck (viel geringer als der atmosphärische Druck) definiert. Faktoren wie Druck, Dichte, fehlende Wärmeübertragung durch Leitung oder Konvektion und geringe Wärmeleitfähigkeit sind für die korrekte Funktion von Thermoelementen im Vakuum relevant.
Industrielle Anwendungen in Vakuumumgebungen
- Luft- und Raumfahrt
- Vakuumöfen
- Halbleiteranwendungen
- PVD-Anwendungen (Physical Vapor Deposition)
- Kristallzüchtung
- Kernenergie
- Hochentwickelte Keramik
- Solarzellen
Überlegungen zu Thermoelementen im Vakuum
Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften der Thermoelementtypen, die sich am besten für eine Vakuumatmosphäre eignen.
| Typ | Verbindungsmaterialien | Temperaturbereich | Empfindlichkeit | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| J | Eisen-Konstantan | 0°C bis 760°C | 55uV/°C | Geringe Kosten Erfordert eine Ummantelung im Vakuum. |
| K | Chromel (Nickel&Chrom) – Alumel (Nickel&Aluminium) | -184°C bis 1260°C | 39uV/°C | Geringe Kosten Erfordert eine Ummantelung im Vakuum Vakuum. |
| T | Kupfer-Konstantan | -184°C bis 400°C | 45 uV/°C | Zuverlässig bis 370°C und stabil bei niedrigen Temperaturen. |
| N | Nicrosil-Nisil | 0°C bis 1100°C | 10,4 uV/°C | Geringere Kosten als die Typen B, R und S. Sehr genau und zuverlässig bei hohen Temperaturen. Erfordert eine Hülle für die Verwendung im Vakuum. |
| C | Wolfram (5 %)/Rhenium – Wolfram (26 %)/Rhenium | 0 °C bis 2300 °C | 16 uV/°C | Hervorragend geeignet für Hochtemperaturvakuum Ungeschütztes Thermoelement |
| B | Platin (6 %)/Rhodium – Platin (30 %)/Rhodium | 38 °C bis 1800 °C | 10,4 uV/°C | Für Anwendungen mit sehr hohen Temperaturen vorgesehen. Funktioniert nur für kurze Zeit im Vakuum zuverlässig und erfordert den Schutz einer Hülle. |
| R | Platin (13%)/Rhodium – Platin | 0°C bis 1593°C | 6uV/°C | Geeignet für sehr hohe Temperaturen und kurze Zeit im Vakuum. Verunreinigt leicht und sollte mit einer Hülle im Vakuum verwendet werden. |
| S | Platin (10%)/Rhodium – Rhodium/Platin | 0°C bis 1538°C | 10,4uV/°C | Wird normalerweise mit einer Hülle verwendet. Nur für kurze Zeit im Vakuum vorgesehen. Hohe Kosten, daher nur für Spezialanwendungen |
Mantelmaterialien
Zu den Mantelmaterialien, die für die Temperaturmessung im Vakuum geeignet sind, gehören Tantal, Molybdän, INC600 und Niob 1 % Zink. Besuchen Sie unsere Übersicht über Mantelmaterialien und ihre unterschiedlichen Eigenschaften.
Hochtemperaturmessungen
Bei Temperaturen über etwa 1200 °C kommen herkömmliche Thermoelementlegierungen zu nahe an ihren Schmelzpunkt und können nicht für genaue Messungen verwendet werden. Aus diesem Grund bietet Kamet eine Reihe spezieller Hochtemperaturthermoelemente an, die für bestimmte Vakuumumgebungen wie Öfen relevant sein können.
Herausforderungen bei der Vakuumheizung
Kamet kann nicht nur Lösungen für die Temperaturmessung im Vakuum, sondern auch für die einzigartigen Herausforderungen der Heizung im Vakuum anbieten.
Als Experten auf dem Gebiet der Heizung mit jahrzehntelanger Innovation und Erfahrung können wir Sie bei allen Problemen beraten, die bei der Vakuumheizung auftreten können. Sie können mehr über unsere (maßgefertigten) Heizungen lesen oder sich mit uns in Verbindung setzen, um die verschiedenen Lösungen und Optionen mit einem unserer Experten zu besprechen.
Temperaturmessung in einer reduzierenden Umgebung
Eine reduzierende Umgebung ist eine Umgebung, in der Oxidation verhindert wird, da das Thermoelement von Reduktionsmitteln (Gasen, die Sauerstoff entfernen, normalerweise Wasserstoff oder Stickstoff) umgeben ist.
Beispiele für industrielle Prozesse mit reduzierenden Umgebungen
- Metallurgie
- Wärmebehandlung (Glühöfen)
- Schweißen
Überlegungen zu Thermoelementen in einer reduzierenden Atmosphäre
Bei der Auswahl des besten Thermoelements für eine reduzierende Umgebung müssen der niedrige Sauerstoffgehalt und die Wirkung der Reduktionsmittel (wie Wasserstoff, Stickstoff und Ammoniak) berücksichtigt werden. Reduktionsmittel können beispielsweise dazu führen, dass Legierungen oxidieren und dadurch die EMF-Ausgabe verringern, wodurch das Thermoelement niedrige Werte anzeigt.
Die folgende Tabelle enthält
| Typ | Verbindungsmaterialien | Temperaturbereich | Empfindlichkeit | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Typ J | Eisen-Konstantan | 0 °C bis 760 °C | 55 uV/°C | Nur für trockene Anwendungen verwenden. Schnelle Oxidation des Drahtes über 540 °C. |
| Typ T | Kupfer-Konstantan | -184 °C bis 400 °C | 45 uV/°C | Beständig gegen Feuchtigkeit und Kondensationskorrosion. Zuverlässig bis 370°C und stabil bei niedrigen Temperaturen. |
| Typ N | Nicrosil-Nisil | 0°C bis 1100°C | 10,4 uV/°C | Nur für trockene Anwendungen geeignet. |
| Typ C | Wolfram (5%)/ Rhenium – Wolfram (26%)/ Rhenium | 0°C bis 2300°C | 16 uV/°C | Ungeschütztes Thermoelement Geeignet für hochreine Wasserstoffatmosphären. Darf keinem Sauerstoff ausgesetzt werden. |
Theoretisch ist es möglich, alle anderen Thermoelementtypen zu verwenden, solange sie entsprechend geschützt sind. Typ K haben wir in der obigen Zusammenfassung nicht berücksichtigt, da er in reduzierenden Umgebungen anfällig für „Grünfäule“ ist.
Grünfäule bezeichnet die Oxidation von Chrom, ein Prozess, der typischerweise bei hohen Temperaturen zwischen 800 °C und 1260 °C stattfindet, insbesondere in sauerstoffarmen Umgebungen. Unter normalen Umständen schützt eine Oxidschicht auf der Oberfläche des NiCr-Schenkels diesen vor Oxidation. In Umgebungen mit Wasserstoff oder anderen Reduktionsmitteln ist dieser Schutz jedoch beeinträchtigt, was zu einer beschleunigten Chromoxidation führt. Dies führt dazu, dass sich auf dem positiven Schenkel eine schuppige grüne Korrosionsschicht bildet.
Mantelmaterialien
Mantelmaterialien, die für eine reduzierende Umgebung in Betracht gezogen werden könnten, sind Hastelloy X und Molybdän. Weitere Informationen zu den Eigenschaften dieser Materialien finden Sie auf dieser Seite.
Temperaturmessung in oxidierender Umgebung
Eine oxidierende Umgebung ist eine Umgebung, in der das Thermoelement mit Gasen in Kontakt kommt, die eine Verbrennung verursachen (hauptsächlich Sauerstoff).
Beispiele für industrielle Prozesse in oxidierenden Umgebungen
- Verbrennungsmotoren
- Müllverbrennung
- Glasindustrie
Überlegungen zu Thermoelementen in oxidierenden Atmosphären
Wie der Name schon sagt, besteht in diesen Atmosphären ein sehr hohes Oxidationspotenzial, das bei der Auswahl des besten Thermoelements berücksichtigt werden muss. Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften der Thermoelementtypen, die für eine oxidierende Atmosphäre am besten geeignet sind:
| Typ | Verbindungsmaterialien | Temperaturbereich | Empfindlichkeit | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Typ E | Chromel (Nickel&Chrom) – Konstantan | 0°C bis 982°C | 76uV/°C | Nur bis 900°C in oxidierender Umgebung verwenden. Vor Schwefelangriff schützen. |
| Typ J | Eisen-Konstantan | 0°C bis 760°C | 55uV/°C | Nur für trockene Anwendungen. Schnelle Oxidation des Drahtes über 540 °C. Anfällig für Schwefel über 540 °C. |
| Typ K | Chromel (Nickel & Chrom) – Alumel (Nickel & Aluminium) | -184 °C bis 1260 °C | 39 uV/°C | Gut für saubere, oxidierende Umgebungen. Niedrige Kosten. Benötigt Schutz vor schwefelhaltigen Atmosphären. |
| Typ T | Kupfer-Konstantan | -184 °C bis 400 °C | 45 uV/°C | Zuverlässig bis 370 °C und stabil bei niedrigen Temperaturen. Beständig gegen Feuchtigkeit und Kondensation. |
| Typ N | Nicrosil-Nisil | 0 °C bis 1100 °C | 10,4 uV/°C | Geringere Kosten als die Typen B, R und S. Oxidationsbeständig bei hohen Temperaturen. Sehr genau und zuverlässig bei hohen Temperaturen. Anfällig für Schwefelangriffe. |
| Typ B | Platin (6 %)/Rhodium – Platin (30 %)/Rhodium | 700 °C bis 1800 °C | 10,4 uV/°C | Für Anwendungen mit sehr hohen Temperaturen vorgesehen. Verwendung mit Schutz in reduzierenden Atmosphären. Kann ungeschützt in oxidierenden Umgebungen verwendet werden. |
| Typ R | Platin (13%)/Rhodium – Platin | 0°C bis 1593°C | 6uV/°C | Geeignet für sehr hohe Temperaturen. Leicht verunreinigt und normalerweise mit einer Schutzhülle verwendet. Kann ohne Schutz in oxidierenden Umgebungen verwendet werden. |
| Typ S | Platin (10%)/Rhodium – Rhodium/Platin | 0°C bis 1538°C | 10,4uV/°C | Normalerweise mit einer Schutzhülle verwendet. Erfordert Schutz vor reduzierender Atmosphäre und Verunreinigung. Kann ohne Schutz in oxidierenden Umgebungen verwendet werden. Hohe Kosten, daher am besten für Spezialanwendungen geeignet. |
Mantelmaterialien
Mantelmaterialien, die für den Einsatz in oxidierenden Umgebungen geeignet sind, umfassen: Pt10 % Rh, Pt20 % Rh, INC600 und rostfreie Stähle wie AISI 316, AISI 321 und AISI 310.
Temperaturmessung in einer inerten Umgebung
Eine inerte Umgebung ist eine Umgebung, die keinen oder nur einen sehr geringen Sauerstoffgehalt enthält. Sie besteht hauptsächlich aus (einer Mischung aus) nicht reaktiven Gasen wie Stickstoff, Argon, Helium und Kohlendioxid.
Beispiele für industrielle Prozesse in inerten Umgebungen
- Halbleiter, wie z. B. Dünnschichtabscheidung
- Sintern von Pulvermetallurgie
- Wärmebehandlung von Metallen
- Kristallwachstum
- Materialprüfung in der Luft- und Raumfahrt – z. B. zum Testen eines Hall-Effekt-Triebwerks
Überlegungen zu Thermoelementen in inerten Atmosphären
Das Vorhandensein von Inertgasen und die sehr geringen Oxidationsgrade sind Faktoren, die bei der Auswahl eines Thermoelements für industrielle Prozesse in inerten Umgebungen berücksichtigt werden müssen.
Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften der am besten geeigneten Thermoelementtypen. Alle können entweder geschützt oder ungeschützt in einer inerten Umgebung verwendet werden.
| Typ | Verbindungsmaterialien | Temperaturbereich | Empfindlichkeit | Hinweise |
|---|---|---|---|---|
| Typ C | Wolfram (5%)/ Rhenium – Wolfram (26%)/ Rhenium | 0°C bis 2300°C | 16uV/°C | Geeignet für hochreine inerte Umgebungen. |
| Typ E | Chromel (Nickel&Chrom) – Konstantan | 0°C bis 982°C | 76uV/°C | Nur bis zu verwenden 900 °C in inerten Umgebungen. |
| Typ J | Eisen-Konstantan | 0 °C bis 760 °C | 55 uV/°C | Bei hohen Temperaturen verringert sich die Lebensdauer. |
| Typ K | Chromel (Nickel&Chrom) – Alumel (Nickel&Aluminium) | -184 °C bis 1260 °C | 39 uV/°C | Geringe Kosten. Sollte verwendet werden, wenn die Umgebung völlig inert ist. |
| Typ T | Kupfer-Konstantan | -184 °C bis 400 °C | 45 uV/°C | Zuverlässig bis 370 °C und stabil bei niedrigen Temperaturen. |
| Typ N | Nicrosil-Nisil | 0 °C bis 1100 °C | 10,4 uV/°C | Geringere Kosten als die Typen B, R und S. Sehr genau und zuverlässig bei hohen Temperaturen. |
| Typ B | Platin (6 %)/Rhodium – Platin (30 %)/Rhodium | 38 °C bis 1800 °C | 10,4 uV/°C | Für Anwendungen mit sehr hohen Temperaturen vorgesehen. |
| Typ R | Platin (13 %)/Rhodium – Platin | 0 °C bis 1593 °C | 6 uV/°C | Für sehr hohe Temperaturen geeignet. Leicht verunreinigt und normalerweise mit einer Hülle verwendet. |
| Typ S | Platin (10 %)/Rhodium – Rhodium/Platin | 0 °C bis 1538 °C | 10,4 uV/°C | Normalerweise mit einer Hülle verwendet. Hohe Kosten, daher eher für Spezialanwendungen geeignet. |
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