专利名称：热电偶组件及其使用方法
技术领域：
本发明涉及用于测量熔融相(或其它高温应用)的温度的热电偶组件，并涉及使用所述热电偶组件测量熔融相(或其它高温应用)的温度的方法。
背景技术：
众所周知，不同的材料在被接合时与材料之间的结的温度相关通过塞贝克(Seebeck)效应产生电动势。由金属构成的热电偶被人们熟知并被广泛使用已有几十年的历史。不幸的是，用于这些热电偶的金属在使用中具有氧化或被化学侵蚀的倾向，使得它们的精度在较长的周期上得不到保证。根据一些描述，某些非金属材料，例如陶瓷，也可产生与它们的温度相关的电动势。陶瓷不存在以上的缺点。
GB2,288,908或US4,450,314例如公开了用于测量熔融相和其它高温应用的温度的陶瓷热电偶组件。这些热电偶组件包含在结上相互接触的第一和第二陶瓷元件，其中，陶瓷元件中的一个压在另一个上。
现在已了解，虽然该陶瓷组件在本领域中向前迈进了一大步，但对于一些特定的应用仍需要提高温度测量的精度。对于某些非常苛求的应用，诸如钢的连铸、镀锡槽(tin bath)的表面上的玻璃带的热压或制造，确实需要连续、精确地监视高达2000℃的温度。
主要问题起因于这样一种事实，即，进行电测量的第一和第二陶瓷元件的“冷端”上的冷结本身可产生大到足以在测量过程中引入显著的误差的电动势，并且这些误差随结温度升高而增加。由于确实存在的制造和成本方面的约束，不能制造较长的陶瓷热电偶。因此，“冷端”相对较为接近热结并且也经受相对较高的温度。由此，在“冷端”陶瓷/金属结上也产生显著的电动势。这些将改变电动势读出计上的读数的电动势可随着温度改变，使得热结上的温度的精确连续测量不能被确定。例如，根据测量，对于只在150℃下操作的碳化硅/二硅化钼热电偶，在“冷端”上升高10℃会导致最终温度确定降低约10℃。在本申请的范围中，表达方式“冷端”是指第一和第二陶瓷元件的与它们的结(热结)相对的端部。
在本领域中已提出冷结补偿。已进行了各种尝试，诸如冷却冷端(不幸的是，冷却冷端还会影响热端的温度，或者，简直是不实际的)、使用产生抵消在“冷端”上产生的电动势的电动势的电子电路(但这包含复杂结构，并且在陶瓷热电偶组件的情况下是不可靠的)等。实际上，提出的方案中的任何一个都不能大大提高陶瓷热电偶组件的精度。
因此存在通过使用简单可靠(与温度无关)并且实际的方法提高陶瓷热电偶组件的精度的需要。
发明内容
已发现，对于包含在第一结上相互接触并由此形成第一热电偶的第一和第二陶瓷元件的测温用热电偶组件，当组件还包含由在位于第一陶瓷元件上的第二结上相互接触的两个不同导电元件(一般是金属导体)形成的第二热电偶和由在位于第二陶瓷元件上的第三结上相互接触的两个不同导电元件(一般是金属导体)形成的第三热电偶时，可以实现该目的，其中，第二和第三热电偶的两个正引线(positiVe leg)或两个负引线(negative leg)与第一测量装置连接，而第二和第三热电偶的两个引线分别与第二和第三测量装置连接。
本发明的发明人真正了解，对于较宽的温度范围，仅通过电子装置是不可能精确地补偿在这些冷结上产生的电动势的，因此决定确切地测量或计算它们并然后加上或减去这些电动势以计算热结上的真实电动势。
根据本发明的第一和优选实施例，第一测量装置是电动势读出计，而第二和第三测量装置是热电偶温度测量装置。在这种情况下，可以通过比较测量的温度值和实验数据(校准曲线)或理论数据(多项式曲线)，计算在所述冷结上产生的电动势。
在本发明的另一实施例中，第一、第二和第三测量装置是电动势读出计。很显然，在具有各自的测量装置的连接器的第二和第三热电偶的两个引线之间的结上，也产生不希望有的电动势。有利的是，第二和第三电动势读出计包含用于这些电动势的补偿装置(例如，电子电路)。
优选地，两个热电偶的导电元件以及它们各自的电动势读出计的连接器是金属导体，使得可以使用常规的冷结补偿装置。
优选地，第一和第二陶瓷元件由选自包含碳化硅、基于氧化铝-石墨的成分、氮化钛、二硅化钼、碳化硼、二氧化钛、碳和稳定化的氧化锆的组的材料单独或混合制成。根据有利的实施例，第一陶瓷元件包含二硅化钼，第二陶瓷元件包含碳化硅或氮化钛。
根据另一有利的实施例，第一陶瓷元件包含碳化硅或氮化钛，第二陶瓷元件包含基于氧化铝-石墨的成分。适当的这种基于氧化铝-石墨的成分一般包含40～70wt.％的氧化铝、20～40wt.％的石墨、2～10wt.％的碳基粘合剂，余量为诸如氧化镁、氧化锆、二氧化硅等的其它难熔氧化物，在US-A-4721533中公开的成分适于这种目的。
根据本发明的优选实施例，第一陶瓷元件形成内引线，或者，并且，第二陶瓷元件形成外套。由此，第二陶瓷元件保护第一陶瓷元件免受熔融相的侵蚀。在这种情况下，第二陶瓷元件一般被选择为适于抵抗熔融相侵蚀一定的时间，在这种情况下非常合适的材料是基于氧化铝-石墨的成分。
在本实施例的情况下，组件还优选在内引线周围包含电绝缘套管(优选由氧化铝构成)。这会提供电绝缘并帮助提供免受振动的杆保持和缓冲。
在某些情况下，具有位于使内引线绝缘的套管周围以防止过量的杆移动(仅在某些应用中)的另一套管也会是有利的。
根据本发明的特定实施例，热电偶组件本身可例如如US-A-4721533所述的那样被嵌入陶瓷保护套管中。在这种情况下，在第二陶瓷元件的外壁上或在保护套管的内壁上提供电绝缘涂层是有利的。基于氧化硅的涂层特别适于这种应用。如GB-A-2263427所公开的那样，套管本身可形成为诸如塞棒(stopper)、浸入式喷嘴(submerged entry nozzle)、内喷嘴(inner nozzle)、耐火材料板等的常规铸件的一部分。
根据另一方面，本发明涉及用于测量温度的方法，该方法包括以下步骤a)将根据本发明的热电偶组件引入热的环境中，第一结位于其温度要被测量的点上或附近；b)用第一、第二和第三测量装置计算或测量第一、第二和第三电动势的值；c)通过加上或减去计算或测量的在冷结上产生的电动势，计算在第一(热)结上产生的真实电动势；d)将在步骤c)中计算的真实电动势转换成温度。
例如，如果第二和第三热电偶的两个正引线与电动势读出计连接，那么在读出计上读出的总的电动势将等于在第一(热)结上产生的电动势加上在第一陶瓷元件的冷端上产生的电动势(使用第二测量装置计算或测量)减去在第二陶瓷元件的冷端上产生的电动势(使用第三测量装置计算或测量)。
例如通过将该值与校准曲线或多项式相比较，在第一(热)结上产生的电动势可由此很容易地被估计并被转换成温度。
重复步骤b)～d)将提供温度的连续测量。
具体实施例方式
为了更好地限定本发明，现在参照附图对其进行说明；其中，
图1示出根据本发明的示意性热电偶组件，图2是表示通过使用上述方法用图1的热电偶组件确定的温度的曲线图。
图1由此示意地表示根据本发明的用于测量熔融相的温度的热电偶组件。它由在第一结(3)上相互接触并由此形成第一热电偶的第一和第二陶瓷元件(1、2)构成。在使用中，结(3)位于熔融相的液面上或下面。由在第二结(6)上相互接触的两个不同的优选为金属导体的导电元件(4、5)形成的第二热电偶位于第一陶瓷元件(1)上(优选在第一陶瓷元件(1)的冷端周围)。由在第三结(9)上相互接触的两个不同的优选为金属导体的导电元件(7、8)形成的第三热电偶位于第二陶瓷元件(2)上(优选在第二陶瓷元件(2)的冷端周围)。第二和第三热电偶的两个正引线(4、7)或两个负引线(5、8)与第一测量装置(10)(例如，电动势读出计)连接。第二和第三热电偶的两个引线(4、5；7、8)分别与第二和第三测量装置(11、12)(例如，热电偶温度测量装置)连接。
由此，在冷端上产生的电动势被精确地测量，并可在确定在热结(3)上产生的真实电动势时得到考虑。在热结上产生的电动势可由此很容易地被估计，并且例如通过该值与校准曲线或多项式的比较被转换成温度。非常令人惊奇的是，可以通过使用与第一电动势读出计(10)连接的第二和第三热电偶的两个正引线(4、7)或两个负引线(5、8)，非常简单地实现这种安装。
图2示出在用于钢水的连铸的浇口盘中用根据本发明的热电偶组件连续测量的温度与铸造时间的关系曲线(实线)。热电偶组件被插入在如US-A-4721533中描述的氧化铝-石墨保护套管中，并被放在控制从浇口盘离开的钢水流的塞棒铁芯(stopper rod)附近。在铸造操作的开始(打开浇口盘上游的钢水包)，温度迅速上升。热电偶组件的响应时间被认为是十分优异的。在大约90分钟后，浇口盘的温度为约1450℃；这与第一钢水包的端部一致。新的钢水包到位并且温度再次以优异的响应时间上升。在又过了100分钟后，第二钢水包排空并且第三钢水包到位并被打开。在所有的铸造操作中，通过使用位于浇口盘的对侧的如在US-A-4721533中公开的由VESUVIUS USACORPORATION出售的ACCUMETRIX型标准热电偶组件，执行并行的温度确定。用ACCUMETRIX传感器测量的温度在图2中被示为三角形。可以看出，用两个系统测量的温度在整个铸造操作中都非常好地对应。在使用后，对根据本发明的热电偶组件进行检查，没有发现损伤。
权利要求
1.一种用于测量温度的热电偶组件，包括-在第一结(3)上相互接触并由此形成第一热电偶的第一和第二陶瓷元件(1、2)；-由位于第一陶瓷元件(1)上的第二结(6)上相互接触的两个不同的导电元件(4、5)形成的第二热电偶；-由位于第二陶瓷元件(2)上的第三结(9)上相互接触的两个不同的导电元件(7、8)形成的第三热电偶；其中，第二和第三热电偶的两个正引线(4、7)或两个负引线(5、8)与第一测量装置(10)连接，而第二和第三热电偶的两个引线(4、5；7、8)分别与第二和第三测量装置(11、12)连接。
2.根据权利要求1的热电偶组件，其中，第一测量装置(10)是电动势读出计，第二和第三测量装置(11、12)是热电偶温度测量装置。
3.根据权利要求1的热电偶组件，其中，第一、第二和第三测量装置(10、11、12)是电动势读出计。
4.根据权利要求1～3中的任一项的热电偶组件，其中，导电元件(4、5、7、8)是金属导体。
5.根据权利要求1～4中的任一项的热电偶组件，其中，第一和第二陶瓷元件(1、2)由选自包含碳化硅、氮化钛、二硅化钼、碳化硼、二氧化钛、碳、稳定化的氧化锆和基于氧化铝-石墨的成分的组的材料形成。
6.根据权利要求1～5中的任一项的热电偶组件，其中，第一陶瓷元件形成内引线(1)，第二陶瓷元件形成外套(2)，外套(2)优选由基于氧化铝-石墨的成分制成。
7.根据权利要求6的热电偶组件，其特征在于，该组件还包括在内引线(1)周围的电绝缘套管(13)。
8.根据权利要求7的热电偶组件，其特征在于，电绝缘套管(13)基本上由氧化铝构成。
9.根据权利要求7或8的热电偶组件，其特征在于，另一套管(14)位于绝缘内引线(1)的套管(13)周围。
10.一种用于测量熔融相的温度的方法，包括以下步骤a)将根据权利要求1～9中任意一项的热电偶组件引入热的环境中，第一结(3)位于其温度要被测量的点上或附近；b)在第一、第二和第三测量装置上计算或测量第一、第二和第三电动势的值；c)计算在第一结(3)上产生的真实电动势；d)将在步骤c)中计算的真实电动势转换成温度。
11.根据权利要求10的方法，其中，步骤d)包含将在步骤c)中计算的真实电动势与校准曲线或多项式相比较以建立第一结(3)的温度。
12.根据权利要求10或11的方法，用于温度的连续测量，包括重复步骤b)～d)。
全文摘要
本发明涉及一种用于连续测量熔融相温度的热电偶组件，该热电偶组件包括在第一结(3)上相互接触并由此形成第一热电偶的第一和第二陶瓷元件(1、2)；由位于第一陶瓷元件(1)上的第二结(6)上相互接触的两个不同的导电元件(4、5)形成的第二热电偶；和由位于第二陶瓷元件(2)上的第三结(9)上相互接触的两个不同的导电元件(7、8)形成的第三热电偶，其中，第二和第三热电偶的两个正引线(4、7)或两个负引线(5、8)与第一测量装置(10)连接，而第二和第三热电偶的两个引线(4、5；7、8)分别与第二和第三测量装置(11、12)连接，并且还涉及用于测量熔融相温度的方法。
文档编号H01L35/12GK101084420SQ200580043758
公开日2007年12月5日 申请日期2005年12月20日 优先权日2004年12月21日
发明者伯纳尔德·罗宾斯, 大卫·法莱尔, 大卫·L.·鲁施, 保罗·范德尔马特 申请人:维苏维尤斯·克鲁斯布公司