Füllorgan für Widerstandsthermometer zur Messung hoher Temperaturen. Die Erfindung bezieht sich auf ein Füll organ für Widerstandsthermometer zur Mes sung hoher Temperaturen.
Es sind Füllorgane für Widerstands thermometer bekannt, bei welchen die aus einem geeigneten Metall mit. grossem, aber möglichst konstanten Temperaturkoeffizien ten des Ohmsehen Widerstandes, vorzugsweise Platin, bestehenden Wicklungen auf einen keramischen Träger aufgewickelt und gegen äussere Einflüsse durch aufgeschobene Rohre aus Glas, Quarz oder dergleichen geschützt sind.
Um stets die gleiche\ Lage der Wider- standsn-ieklung zu gewährleisten, sind dabei die Wicklungen bisher entweder ganz in Glas, Glasur oder in schraubenförmigen Rillen des Trägers eingebettet.
Durell diese Massnahme werden zwar nun einerseits Lareveränderungen und dadurch bedin@,te Spannungs- und irreversible Wider standsänderungen der Drahtwicklung bei me chanischen Erschütterungen vermieden; an derseits entsteht dabei jedoch wieder ein -Nachteil, indem bei vollkommener Einbettung in die bisher üblichen Materialien, wie Glas oder Glasur, die obere Temperaturgrenze für die Anwendbarkeit bei etwa 550 C liegt. Dann steigt nämlich die Leitfähigkeit des Glases oder der Glasur stark an und fälscht die Widerstandsmessung-.
Bei der bekannten starren Einbettung der Wicklungen in schraubenförmige Rillen des Trägers wird ausserdem bei der bisher üblichen Wendelform ,des Drahtes ein ver hältnismässig grosser Träger benötigt, so dass die Wärmekapazität des Thermometers un erwünscht hoch wird. Ausserdem ist, sowohl bei Einbettung in Glas oder Glasur, als auch bei Einlegung der Wicklungen in Rillen des Trägers das Widerstandsmaterial gezwungen, die thermische Ausdehnung des Glases oder des Trägers mitzumachen, da dieses Material sehr hart und unnachgiebig ist.
Dadurch er geben sieh durch einen Hi-steresiseffekt für die deiche Temperatur verschiedene Wider standswerte, je nach dem, ob bei ansteigen der oder bei fallender Temperatur gemessen wird. Beispielsweise kann der Fehler bei Ein bettung in Glas mehrere Zehntel Grad Cel sius betragen.
Die vorliegende Erfindung bezweckt nun die Behebung der geschilderten Mängel und Nachteile. Das Füllorgan nach der Erfin dung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Trägerkörper für .den Widerstandsdraht aus einem keramischen hochhitzebeständigen hTa- terial besteht und Kapillaren für die Auf nahme des gewendelten Widerstandsdrahtes aufweist, da.ss diese Wendeln einen Durch messer besitzen,
der kleiner ist als der Innen durchmesser der Kapillaren und -der zwecks Erreichung einer grossen Steifigkeit gegen über Formänderungen höchstens das Fünf faehe des Drahtdurchmessers beträgt und dass Lerner die Enden der Widerstandsdrähte mit Anschlusselektroden verlötet sind. Die Erfindung schafft die Möglichkeit, Widerstandsthermometer sehr kleinen Volu mens, geringer Wärmekapazität, praktisch verzögerungsfreier Ansprechempfindlichkeit und mit einem Arbeitsbereich bis zu etwa 1.20011C herzustellen.
Tatsächlich besitzt eine enge Wendel, deren Durchmesser höchstens das Fünffache des Drahtdurchmessers be trägt, eine grosse innere Steifigkeit, ferner benötigt sie einen geringen Raum, und sie kann fast frei aufgehängt werden, ohne dass Erschütterungen die Wicklungslänge und da mit die innere Spannung verändern. Unter dem Ausdruck < "Kapillare wird hier und im folgenden ein allseitig vom Trägermaterial begrenzter Kanal mit verhältnismässig klei nem Durchmesser verstanden.
Als Material für den Träger bzw. für die Hülle des Fühlorgans, sollen erfindungs gemäss chemisch indifferente, nichtleitende, hochhitzebeständige Stoffe, vorzugsweise reine Oxyde, wie -.Nlagnesiumoxyd oder Sinterton- erde A1203, verwandt werden. Als hochhitze beständig sollen hier und im folgenden Mate rialien gelten, die Temperaturen von min destens 1200 C ertragen, ohne zu erweichen.
Die Zeichnung zeigt mehrere beispiels weise Ausführungsformen des erfindungs gemässen Fühlorgans. Es stellen dar Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Aasführ ungsforrn, Fig. 2 eine Aufsicht auf das Fühlorgan nach Fig. 1, Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform, Fig. 4 ein Querschnitt durch das Organ nach Fig. 3,
Fig. 5 eine Aufsicht au,f ein tellerartiges Fühlorgan mit abgehobener Deckscheibe, Fig. 6 eine Schnittansicht dieser dritten Ausführungsform und Fig. 7 eine geschnittene Ansicht einer Abart der Ausführungsform nach den Fig. 5 und 6.
Bei dem stabförmigen Fühlorgan nach Fig. 1 und 2 liegen die beiden Hälften des eng gewendelten Widerstandsdrahtes 1 in zwei engen, parallel nebeneinander liegenden, geraden Kapillaren 6 eines dünnen Stäbchens 2 von beispielsweise nur 1 bis 2 mm2 Quer schnitt aus einem hochhitzebeständigen Oxyd, wie Sintertonerde, dessen gesamte Länge bei spielsweise etwa 5 em misst.
(In der Fig<U>u</U>r nicht massstäblich gezeichnet.) Die Wider standswendel 1 mit den beiden Hälften la und 1b muss daher aus sehr feinem Draht, beispielsweise aus reinem. Platin, hergestellt sein. Der Durchmesser der: Wendel soll nicht gmösser sein als das Fünffache des Draht durchmessers, uni die not vendig-e Steifigkeit zu erhalten. Mit Vorteil ist dieses Durch messerverhältnis höchstens gleich zwei.
Der Durchmesser der Wende] soll ferner etwas kleiner sein als der Innendurchmesser der Kapillaren, damit dem Widerstandsdraht in der Kapillare genü--end Bewegungsfreiheit verbleibt bei einer unterschiedlichen Aus dehnung des Trägermaterials und des Wider standsdrahtes.
Die beiden Wendelhälften des Widerstandsdrahtes sind an ihrem Ende mit dickeren, gerade in die Kapillaren passenden Zuleitungsdrähten 4 verlötet und im Anfangs teil der Kapillaren an der Stelle 3 in geeigne ter Weise angeheftet. Hierzu können bei spielsweise die Kapillaren 6 an der Stelle 3 angekerbt sein, so da.ss durch Anbringen einer kleineren Menge Lötmetalle die Enden der Zuleitungsdrähte 4 etwas oberhalb ihrer Verlötung mit den Widerstandwendeln be festigt werden. Die Zuleitungsdrähte 4 sind möglichst luftdicht in die Kapillaren einge setzt.
Die Wendelhälften 1a und 1b sind aln andern Ende 5 des die Kapillaren enthalten den Trägerstabes 2 zusammengelötet. Diese Lötstelle ist mit einer Glasnrhaube bedeeht. Innerhalb der Kapillaren 6 liegen die Draht wendeln vollkommen frei und werden nur durch ihre eigene Steifigkeit in ihrer Lage festgehalten. Auch kräftige Ersehüttermigen vermögen keine wesentlichen Lage- und ela stischen Spannungsänderungen @heivorzuru- fen.
Der sehr kleine innere Querschnitt. 7 der Drahtes .ende] kann mit einer verhältnismässig weichen Einbettmasse gefüllt sein. Diese Ein bettmasse soll nicht. härter sein als Kreide; mit. Vorzug soll die Härte zwischen 1 und 2 der llohsschen Härteskala liegen. Damit wer den einerseits die durch zu harte Einbett inassen oder Glasuren verursachten Spannun- gerx und Hysteresiseffekte vermieden, ander seits aber auch die bei nur lockeren Massen wie Glaspulver usw. nur ungenügende Lage run-- der Wendel verbessert.
Diese verhältnis- mässi- weiche Füllmasse für das Innere der Wendel kann auch durch die Zwischenräume zwiselxen den Drahtschleifen der Wicklung hixxdurehgreifen und sogar den restlichen Baum der Kapillare .ausfüllen. Das Material der Füllmasse soll zusammenhängend, form- beständigund hochhitzebeständig sein. Wesent lich ist, auch, dass die Füllmasse bei den liolxen Temperaturen nicht elektrisch leitend wird.
Als geeignetes Material hat sieh bei spielsweise eine Mischung von Sintertonerde, Kalzh imoyyd und Quarz erwiesen. Diese Masse wird bei etwa 1000 C geglüht und liegt daher in Form von sog. Biskuitbrand vor. Das chemisch gebundene Wasser ist dann ent fernt, aber die Masse ist verhältnismässig porös und weich, so dass die von ihr auf die Wicklungen ausgeübten mechanischen Span nungen viel geringer sind als bei einer harten. Einbettmasse.
Bei der Ausführungsform nach den Fig. 3 und .1 setzt sich der sta.bförmige Träger für (las Thermometer aus einem innern Stabkern 2 und einer aufgeschobenen zylindrischen, an der Thermometerspitze geschlossenen Hülle 2b zusammen. Zur Bildung der die Wider- standswendeln aufzunehmenden Kapillarer. 6 sind dabei die Längsrichtung in den Mantel des Sta.bkernes 2a Rillen eingefräst.
Anstatt eines Sta.bkernes mit zwei Rillen kann auch ein Stabkern mit vier oder sogar mehr Rillen angewandt werden. Die einzelnen Teile der Widerstandswendel 1 liegen dann parallel nebeneinander in den Rillen des Stabkernes 6. Die zylindrische Hülle 2b wird erst nach Auflegen der beiden Hälften der Wider standswendel und Verlöten derselben an der Spitze 5 und an den Zuleitungsenden 3 auf den Stabkern 2ca aufgeschoben und luftdicht mit dem Stabkern 2a verkittet. Auch Bier schafft eine weiche Füllmasse 7 einen besseren Halt für die Drahtwendel 1.
Der Kernstab 2a kann auch eine abgewan delte Form haben mit. schraubenförmigen, auf seinem Umfang eingefrästen Rillen und je einem Windungsgang für die beiden Hälf ten der Widerstandswendel. Auch dabei wird die zylindrische Hülle 2b erst nach Einlegen der Wendel in die Windungen und Verlötung der Enden auf den Stabkern aufgeschoben. Die weiche Füllmasse 7 kann auch hier noch zusätzlich vorhanden sein.
Während die bisher beschriebenen Aus- führungsformen von Widerstandsthermome tern, die im allgemeinen übliche Stabform beibehielten, ist auch eine Ausführungsform möglich, die besonders für Temperaturmes sung ruhender Medien geeignet ist. Dabei be sitzt das Träger- oder Fühlorgan des Wider standsthermometers die Gestalt einer flachen Scheibe, wie in Fig. 5 und 6 dargestellt ist.
Der keramische Träger 2 kann beispielsweise aus zwei spiegelbildlichen, scheibenförmigen Hälften 2c und 2cl bestehen, die auf ihren Innenseiten spiralige Rillen enthalten, so da.ss bei aufeinandergelegten Hälften die Kapilla ren zur Aufnahme der Widerstandswendeln entstehen. Die Spirale 1 ist vorzugsweise zweiarmig, so dass der hinführende und der rückführende Mlendelteil nebeneinander lie gen.
In Fig. 7 ist noch eine Ausführungsform gezeigt, bei welcher sich der scheibenförmige Träger 2 aus drei flachen Scheiben zusam mensetzt, nämlich einem Mittelteil 2f, welcher auf beiden Seiten mit Rillen in Form einer einarmigen Spirale versehen ist und<I>zwei</I> Deckscheiben 2e und 2rg für je eine Seite der mittleren Scheibe mit passenden Rillen, so dass bei richtig aufeinandergelegten Teil scheiben spiralige Kapillaren zur Aufnahme der Widerstandswendel entstehen.
Die beiden Hälften der Widerstandswendel liegen dabei auf je einer Seite der mittleren Scheibe und sind in der Scheibenmitte 5 durch eine die beiden Kapillaren verbindende Bohrung in der mittleren Scheibe 2f zusammengefügt. Die Zuleitungsdrähte 4 liegen nebeneinander oder übereinander am Scheibenrand. Beson ders für Fühlorgane zur Messung von Tempe raturen über 750 C empfiehlt sieh wieder eine weiche Füllmasse.
Die Erfindung umfasst auch ein Verfah ren zur Herstellung des erfindungsgemässen Fühlorgans. Dieses Verfahren ist dadurch ge kennzeichnet, dass der Widerstandsdraht auf einem Dorn zu einer engen Wendel gewickelt, davon abgeschoben, mit Ansehlusselektroden versehen, in die Kapillaren des Trägerkörpers eingezogen, am Trägerkörper befestigt und luftdicht nach aussen abgeschlossen wird.
Die Durchführung des Verfahrens ist ini folgenden an Hand der Fig. 1 und \3 bei spielsweise beschrieben: Die beiden Hälften des Widerstands drahtes la und 1b werden zuerst auf dünne Glas- oder Metalldorne zu einer engen Wen del gewickelt, von den Dornen ab,-eschoben und an einem der Drahtenden mit den Zu führungselektroden 4 verlötet.
Sie werden dann unter einer Wasserstrahlpumpe in die Kapillaren 6 des Trä,gerstäbchens 3 einge saugt und an den Einkerbungen 3, die die Kapillaren anschneiden, durch eine kleine Menge Lötmaterial an Trägerstäbehen fixiert, wodurch auch ein luftdichter Abschluss zwi schen den Elektroden 4 und den Wandungen der Kapillaren erzielt. wird. Dann wird eine mit Wasser angerührte Mischung aus reiner Tonerde, Quarz und Kallz in das Innere der Wendel .eingesaugt, was beispielsweise mit einer Wasserstrahlpumpe geschehen kann.
Das Fühlorgan wird dann getrocknet und bei Temperaturen bis höchstens 1000 C gebrannt, so dass das Wasser restlos ausgetrieben -wird und der poröse Biskuitbrand entstellt.
Die beiden Teile lca und 1b der Widerstands wendel werden am einen Ende 5 d?r beiden Kapillaren verschweisst oder verlötet. Nacli Abgleichen wird. die Verlötungsstelle 5 der Wicklungshälften mit einer Glasurhaube 8 überdeckt und so vor Einwirkung der Luft geschützt.
Nach Fertigstellung der Widersta.nds- thermometer werden diese selbstverständlich in an sieh bekannter Weise einem :Uterungs- Behandlung unterzogen, die vor allen Dingen in einer wechselnden I'rliitzung auf höheren Temperaturen, beispiels@veise bei Platin, auf mindestens 750 C besteht.
Die beschriebenen WiderstancIst.liermome- ter zeichnen sich vor allem durch einen bis etwa auf 1200 C erweiterten Temperatur bereich aus, der nur durch die Bekristallisa- t.ion des Widerstandsmaterials begrenzt. ist. Bei Platin beginnt diese etwa bei<B>7,50'</B> C.
Durch Verwendung hochhitzebeständiger Oxyde, wie Sintertonerde, als Material für das Trägerstäbchen und bei Fortfall einer be sonders harten Einbettniasse bzw. deren Er satz durch weiche, aber noch zusammen hängende und formbeständige Füllmassen wird vermieden, dass bei üblichen Glasuren bei hohen Temperaturen entstehende elektro lytische Leitfähigkeit die "Messungen ver- fälscht und Spannun;:s- oder Widerstands- änderungen eintreten.
Es ist weiter vorteilhaft, das Volumen des Fühlorgans sehr klein zii. halten. Wegen der geringen Wäinnekapazität sind dann Ge nauigkeit und 4nspreellempfindliehkeit stark erhöht.
Es ist vorteilhaft, dass ein grosser Teil der sonst bei Erschütterungen auftreten den Spannungsänderungen des Widerstands drahtes schon durch die grosse innere Steifig- keit der eng gewickelten Wendel abgefangen werden kann und die neue Einbettinasse mir einen verhältnismässig kleinen Druck ausübt.
Die fertigen Widerstandsthermonieter haben auch den Vorteil, dass sie nicht nur nach dem Einbau in die '1Iehanordnung, son dern auch vor allem gegenüber den bei V er packung, Transport auftretenden, meist nicht zu vermeidenden ineehanisehen Erschütterun gen unempfindlich sind und keine Verände rungen ihrer Widerstandscharakteristik zei gen.