DD160915A1

DD160915A1 - Integrierte anordnung zur betriebszeitmessung in elektrischen und elektronischen geraeten

Info

Publication number: DD160915A1
Application number: DD21351179A
Authority: DD
Inventors: Erich Schleicher
Original assignee: Mittweida Ing Hochschule
Priority date: 1979-06-11
Filing date: 1979-06-11
Publication date: 1984-06-13

Abstract

Die Anordnung arbeitet auf der Basis elektrolytischer Coulometer und ermoeglicht durch ihre konstruktive Gestaltung die gleichzeitige Erfassung mehrerer Messgroessen mit einem einzigen Bauelement. Dazu werden die an sich bekannten Coulometer, die aus Kapillaren mit Quecksilberfuellung und jeweils einem Einschluss aus einem waessrigen Elektrolyt bestehen, so angeordnet, dass sie eine gemeinsame Kathode, aber unterschiedliche Anodenanschluesse haben. Durch entsprechende Wahl d. Vorwiderstaende vor den getrennten Anoden koennen unterschiedliche Betriebszeitintervalle gleichzeitig gemessen werden. Nach Ablauf der Messungen ist eine Rueckstellung der elektrolytischen Einschluesse u. damit eine Regenerierung des Bauelementes moeglich. Technologisch wird die Anordnung durch mehrere Plaettchen in Sandwichbauweise realisiert. Sie stellt durch ihre Einfachheit, Robustheit und Temperaturstabilitaet ein neues integriertes Bauelement dar, das fuer Zuverlaessigkeitsuntersuchungen, Service- und Wartungsmessungen sowie fuer Betriebszeitmessungen in elektrischen und elektronischen Geraeten vielseitig einsetzbar ist.

Description

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Titel der Erfindung

Integrierte Anordnung zur Betriebszeitmessting in elektrischen und elektronischen Geräten

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine integrierte Anordnung zur Betriebszeitmessung in elektrischen und elektronischen Geräten, die auf der Basis elektrolytischer Mikrocoulometer arbeitet und durch ihre konstruktive Gestaltung die gleichzeitige Erfassung mehrerer Meßgrößen mit einem einzigen Bauelement ermöglicht. Als Bauelement ist die Anordnung durch die geringen Abmessungen, den niedrigen Strom- und Spannungsbedarf kompatibel zu mikroelektronischen Schaltkreisen und in elektronische Schaltungen direkt einlötbar. Die Anordnung ermöglicht Betriebszeitmessungen an verschiedenen Baugruppen von elektrischen und elektronischen Geräten im Intervall von jeweils mindestens 10 bis 10000 Stunden und gestattet neben der visuellen Ablesung die Auslösung von Signal- und Schaltvorgängen. Durch zusätzliche Maßnahmen ist ein nicht-linearer Verlauf der Zeitanzeige möglich, so daß beispielsweise im Bereich der Frühausfälle eine größere Anzeigegenauigkeit eingestellt werden kann. Das ist von besonderer Bedeutung für Zuverlässigkeitsuntersuchungen, aber auch zur Signalisierung von Service- und Wartungsintervallen und für alle Gebiete, bei denen eine von der Betriebsdauer abhängige Funktion ausgelöst werden soll.

Ein anderer Anwendungsfall der erfindungsgemäßen Lösung betrifft die Strom-Zeit-Integration mehrerer Größen, die hinsichtlich ihrer Werte auch weit differieren können.

Schließlich ist es denkbar, durch eine eigene Batterie beispielsweise dekadische Zeitanzeigen von einigen Stunden bis zu einem Jähr mit guter Genauigkeit zu realisieren.

Nach Ablauf der Meßvorgänge kann die Anordnung in den Ausgangszustand zurückversetzt werden und steht für erneute Nutzung zur Verfügung.

Die beschriebene Anordnung ist in einem weiten Temperaturbereich von -30...+125⁰C einsetzbar und ist gegen radioaktive Strahlung unempfindlich. Durch die geringen Abmessungen, die Robustheit und Zuverlässigkeit ist sie auf nahezu allen Gebieten der Technik verwendbar.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Abgesehen von elektrischen und elektromechanischen Geräten, die für Betriebszeitmessungen eingesetzt werden können und meist relativ teuer sind oder einen größeren elektronischen Aufwand erfordern, sind integrierte elektronische Schaltkreise bekannt, an die extern RC-Glieder angeschlossen werden und mit gewissem zusätzlichem Aufwand für Betriebszeitmessungen verwendet werden können.

Auf der Grundlage elektrolytischer Prozesse arbeiten die elektrolytischen Betriebszeitmesser, die auf der Messung einer durch Elektrolyse abgeschiedenen Stoffmenge beruhen. Elektrolytische Vorgänge folgen dem Faradayschen Gesetz, das für konstanten Strom die Form M = A · I · At aufweist, das heißt, die abgeschiedene Stoffmenge M ist dem Strom I und der StromflußzeitAt proportional, wobei A das elektrochemische Potential ist.

Bekannte Anordnungen sind die Coulometer oder Voltameter mit Quecksilberkapillare und einem elektrolytischen Einschluß, der sich bei Stromfluß durch die transportierte Quecksilbermenge M entgegengesetzt zur Stromrichtung bewegt. Mit einem Festelektrolyt, beispielsweise aus RbAg₄J₅, und Elektroden aus Gold und Silber arbeiten andere Betriebsstundenindikatoren, die ebenfalls eine gewisse Verbreitung gefunden haben.

Für Quecksilbercoulometer sind mehrere Varianten angegeben worden, die nicht nur eine visuelle Beobachtung der durch den elektrolytischen Einschluß in einer Kapillare zurückgelegten Wegstrecke gestatten, sondern durch zusätzlich in die Kapillare hineinragende Elektroden auch Signal- und Schaltvorgänge ermöglichen. Manuelle oder elektronische Umpolung der Elektrolysespannung verändert die Bewegungsrichtung des Einschlusses und läßt damit eine Regenerierung der Anordnung nach abgelaufenem Zeitintervall zu. Durch keilförmige Ausbildung der Kapillare ist auch eine Erhöhung der Anzeigegenauigkeit im ersten Teil des Anzeigebereichs möglich, so daß Frühausfälle besonders genau signalisiert werden können. Mehrfachanordnungen von elektrolytischen Betriebszeitmessern werden zur quasidigitalen Anzeige benutzt.

Hinsichtlich der technologischen Ausführung wurde vorgeschlagen, die Kapillare, in der sich Quecksilber und Elektrolyt befinden, durch einen HohSraum im Inneren einer aus mehreren Plättchen bestehenden sandwichartigen Anordnung zu bilden und die Elektroden ais Leiterschichten auf einem Plättchen aufzubringen.

Durch Verwendung halbleitenden Materials für den kapillaren Werkstoff können außerhalb der Quecksilbersäule Schleifkontakte aufgebracht werden, mit denen die gewünschten Signal- und Schateeiten kontinuierlich eingestellt werden

können.

Es wurde auch schon angegeben, daß die beschriebenen elektrolytischen Anordnungen als Strom-Zeit-Integratoren und bei Anschaltung an eine konstante Spannungsqueüe als Zeitmesser verwendet werden können. Alle beschriebenen Anordnungen dienen jeweils der Anzeige des zeitlichen Verlaufs einer bestimmten Meßgröße. Für die Anzeige mehrerer Meßgrößen müssen dementsprechend bisher mehrere Anordnungen verwendet werden.

Ziel der Erfindung

Die Erfindung setzt sich zum Ziel, mit einer einzigen eiektrolytischen Anordnung die Betriebszeiten von mehreren Baugruppen eines elektrischen oder elektronischen Gerätes getrennt zu messen und zu signalisieren.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das an sich bekannte Quecksilbercoulometer in einer geeigneten technologischen Variante konstruktiv so abzuwandeln, daß eine integrierte Anordnung für die gleichzeitige Messung des Zeitverhaltens mehrerer Parameter realisiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere coulometrische Säulen mit Quecksilberfüllung und Einschlüssen aus einem wäßrigen Elektrolyt so angeordnet werden, daß sie eine gemeinsame Katode, aber unterschiedliche Anodenanschlüsse haben. Figur 1 zeigt das Prinzip am Beispiel einer Vierfachanordnung, wobei die einzelnen Säulen durch Rillen in einem Substratplättchen 1 gebildet werden, aus denen durch Aufkitten eines Deckplättchens die kapillaren Hohlräume entstehen. Diese Kapillaren bestehen aus dem Quecksilberfaden 4, der durch den wäßrigen elektrolytischen

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Einschluß 3 in zwei Hälften geteilt ist, und werden durch die anodenseitigen Elektroden 2 und die zum Anschluß K führende gemeinsame Katode begrenzt. An den Anodenanschluß A·, wird über den zur Anordnung gehörenden Vorwiderstand R₁ eine erste Baugruppe eines elektronischen Gerätes angeschlossen, wobei das maximale Zeitintervall, das der elektrolytische Einschluß zum Durchlaufen der Kapillare benötigt, durch die Wahl von R, festgelegt wird. An den Anschluß A₂ wird eine zweite Baugruppe angeschlossen, deren maximales Betriebszeitintervall durch die Wahl des Vorwiderstandes R₂ eingestellt werden kann. Analoges gilt für eine dritte Baugruppe A₃ und eine vierte Baugruppe A₄, wobei eine Begrenzung der Anzahl der Kapillaren und damit der getrennt anschließbaren äußeren Baugruppen eines Gerätes durch die erfindungsgemäße integrierte Anordnung nicht vorgegeben ist. Zweckmäßig für eine Massenfertigung der erfindungsgemäßen Anordnung ist es, die Vorwiderstände so zu wählen, daß bei einer bestimmten normierten Spannung, die an die Anodenanschlüsse angelegt wird, die Gesamtdurchlaufzeiten der Einschlüsse sind verhalten wie 1:10:100:1000. Es sind jedoch auch beliebige andere Kombinationen möglich.

Wenn einige oder alle Einschlüsse ihren Endstand erreicht haben oder die Messung beendet ist, kann an die Anschlüsse K_1R, K₂R und K_4R über die entsprechenden Widerstände R_1R, R₂R, Rsr und R_4R eine negative Spannung an die Elektroden 2 gelegt werden, wobei gleichzeitig der Anschluß K mit dem positiven Pol zu verbinden ist. Die Einschlüsse laufen dann an die Katodenelektroden zurück, die Anordnung ist regeneriert und kann für erneute Messungen eingesetzt werden. Diese der Rückführung der Einschlüsse dienenden Widerstände sollten hinsichtlich ihres Wertes so bemessen werden, daß ein schneller Rücklauf der Einschlüsse erfolgt, Gasentwicklung im Elektrolyten jedoch vermieden wird. Sie können gleiche Widerstandswerte aufweisen. Im allgemeinen wird für die Rückführung eine galvanische Trennung der Anschlüsse A₁, A₂, A₃, A₄ und K vom Gerät erforderlich sein.

Obwohl Figur 1 zur Verdeutlichung des Prinzips die Kapillaren, Widerstände und Elektroden in einer Ebene zeigt, ist oft die an sich bekannte Anordnung der Widerstände und Leiterbahnen als Schichtelement auf der Innenseite der Deckelektrode zweckmäßiger. Auch ist es in einfacher Weise möglich, auf einem Plättchen der Sandwichanordnung schichtförmige Elektroden aufzubringen, die seitlich oder an der Stirnseite in die kapillaren Hohlräume hineinragen und als Teile von Wechselstromkreisen zu Signal- und Schaltvorgängen verwendet werden können. Schließlich sei auch auf die Möglichkeit hingewiesen, die an sich ebenfalls bekannte Zeitdehnung im Anfangsbereich der Betriebszeitintervalle durch keilförmige Ausbildung der Hohlräume zu erzielen, wobei die Basis des Keiles an der Katodenseite vorgesehen werden muß. Unter Berücksichtigung der Vielzahl der Leiterbahnen, Elektroden und Widerstände kann es zweckmäßig sein, bestimmte Schichtelemente auf einem weiteren Plättchen der integrierten Anordnung unterzubringen und in geeigneter Weise mit den kapillaren Hohlräumen zu verbinden. Bezüglich der geometrischen Abmessungen ist es günstig, das Gehäuse eines integrierten mikroelektronischen Schaltkreises als konstruktives Element einschließlich der Anschlußfahnen vorzusehen. Wenn die Bewegung der Einschlüsse visuell verfolgt werden soll, muß das Deckplättchen aus Glas oder einem durchsichtigen Kunststoff bestehen. Der Werkstoff für das Substrat mit den rillenförmigen Hohlräumen kann aus Keramik, Glas oder einem geeigneten Kunststoff hergestellt sein.

Durch die Möglichkeit, alle Katodenanschlüsse gemeinsam auszuführen, ergibt sich gegenüber den bisher bekannten Einzelanordnungen eine wesentliche Vereinfachung und Verbilligung bei gleichzeitiger Erweiterung der Anwendungsbreite.

Anführungsbeispiel

Eine erfindungsgemäße Anordnung wurde mit vier Quecksilbersäulen von jeweils 30mm Länge ausgeführt, deren elektrolytische Einschlüsse die Gesamtlänge der kapillaren Hohlräume in 10 Stunden, 100 Stunden, 1000 Stunden bzw. in 10000 Stunden durchliefen. Die Anordnung diente der Betriebszeitmessung von vier verschiedenen Baugruppen in einem elektronischen Gerät, die sehr unterschiedliche Betriebszeitintervalle aufwiesen. Alle Baugruppen wurden mit 18 Volt Gleichspannung gespeist.

Als Vorwiderstand für die 10-Stunden-Kapillare, der in Analogie zu der Anordnung in Figur 1 etwa R₁ sein könnte, wurde zur Einstellung eines Elektrolysestromes von 647μΑ ein Wert von 27,8kil benötigt. Der Vorwiderstand für die 100-Stunden-Kapillare, also etwa R₂ in Figur 1, hatte für einen Strom von 64,7μΑ den Wert 278 kil, für die 1000-Stunden-Kapillare betrug der Widerstandswert 2,78 Meg-Ohm und für die 10000-Stunden-Kapillare 27,8 Meg-Ohm.

Die Rückstellwiderstände, in Figur 1 mit R-|_R bis R_4R bezeichnet, wurden einheitlich zu je 20 kü gewählt. Nachdem Abklemmen der Anschlüsse A₁ bis A₄ und K aus der Schaltung des elektronischen Gerätes und der Anlegung von +18V an K und des Minusanschlusses an K_1R bis K_4R regenerierte sich die erfindungsgemäße Anordnung in allen Kapillaren nach maximal 7,2 Stunden und war danach wieder voll verwendungsfähig.

In dem beschriebenen Beispiel war der Durchmesser der kapillaren Hohlräume über die Gesamtlänge gleich. Die zur Anordnung gehörenden Widerstände wurden durch die geringen Ströme thermisch nur wenig belastet. Während die Rückstellwiderstände mit je 16mW noch die größte Belastung aufwiesen, betrug sie bei dem zur 10-Stunden-Kapillare gehörenden Vorwiderstand 12mW, bei dem zur 100-Stunden-Kapillare gehörenden Widerstand 1,2 mW, während sie für die beiden anderen Widerstände mit 0,1 mW bzw. 0,01 mW vernachlässigbar klein war.

Die erfindungsgemäße Anordnung wurde in Sandwichbauweise realisiert; das Deckplättchen bestand aus Glas, so daß eine visuelle Ablesung der von den Einschlüssen durchwanderten Wegstrecken möglich war. Diese Wegstrecken waren proportional der jeweiligen Betriebszeitsumme und konnten an Skalen, die Stundenmarkierungen trugen, abgelesen werden.

Claims

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Patentanspruch

1. Integrierte Anordnung zur Betriebszeitmessung in elektrischen und elektronischen Geräten, bestehend aus mehreren coulometrischen Säulen mit Quecksilberfüllung und Einschlüssen aus einem wäßrigen Elektrolyt, gekennzeichnet dadurch, daß alle coulometrischen Säulen eine gemeinsame Elektrode haben.
2. Integrierte Anordnung zur Betriebszeitmessung in elektrischen und elektronischen Geräten gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Säulen durch rillenförmige Hohlräume in einer aus mehreren Plättchen bestehenden Sandwichanordnung gebildet werden.
3. Integrierte Anordnung zur Betriebszeitmessung in elektrischen und elektronischen Geräten gemäß Punkt 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Querschnitt mindestens eines Hohlraumes keilförmig verläuft.
4. Integrierte Anordnung zur Betriebszeitmessung in elektrischen und elektronischen Geräten gemäß Punkt 1 und 2 und/oder 3, gekennzeichnet dadurch, daß in die Hohlräume seitlich weitere Elektroden hineinragen.
5. Integrierte Anordnung zur Betriebszeitmessung in elektrischen und elektronischen Geräten gemäß Punkt 1 bis 4, gekennzeichnet dadurch, daß die Elektroden, Leiterbahnen und Widerstände als Schichten auf mindestens einem der Plättchen der integrierten Anordnung aufgebracht sind.

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