DD160929A1 - Anordnung zur temperatur-zeit-messung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung zur Temperatur-Zeit-Messung, mit der die Zeitdauer gemessen werden kann, um die eine bestimmte, von aussen frei einstellbare Temperatur ueber- oder unterschritten wird. Diese Zielstellung wird durch eine Anordnung realisiert, die einen Quecksilbercoulometerteil und einen Kontaktthermometerteil enthaelt, die beide elektrisch in Serie liegen. Dadurch kann der Vorteil der Coulometer - geringer elektrischer Eigenverbrauch, weitgehende Temperaturunabhaengigkeit in grosser Strom-Zeit-Messbereich mit den Vorzuegen des Kontaktthermometers verknuepft werden. Erfindungsgemaess werden Quecksilbercoulometer- und Kontaktthermometerteile in einer gemeinsamen Anordnung so verbunden, dass bei Erreichen der eingestellten Schalttemperatur der Elektrolyseprozess einsetzt, dessen Zeitdauer an der Stellung einer Quecksilbersaeule abgelesen werden kann. Die erfindungsgemaesse Anordnung ist besonders fuer die Temperatur-Zeit-Kontrolle in der Landwirtschaft, Meteorologie und Technik und fuer alle Gebiete geeignet, bei denen die Zeitdauer der Ueber- und Unterschreitung einer bestimmten Temperatur von Bedeutung ist.

Description

- 1 - " Anordnung zur Teraperatur-Zeit-Messung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die iiJrfindung betrifft eine Anordnung zur Temperatur-Zeit-Messung, die aus einem Quecksilbercoulometerteil und einem Kontaktthermoraeterteil besteht. Die Verknüpfung beider Teile zu der erfindungsgeraäßen Anordnung ermöglicht es, auf dem Gebiet der Landwirtschaft und der Meteorologie visuell abzulesen oder elektrisch zu messen, wie lange eine bestimmte, von außen frei einstellbare Temperatur über- oder unterschritten worden ist. In der Technik kann die Anordnung dazu dienen, bei Anlagen und Geräten die Zeitdauer der Überschreitung einer bestimmten Temperatur zu messen oder nach einer bestimmten Zeit elektrische Signale auszulösen. Bei der Herstellung von Erzeugnissen, bei chemischen Verfahren, im Korasumgüterbereich, bei Zuverlässigkeitsuntersuchungen usw. tritt ebenfalls oft das Problem auf, die Zeitdauer der Über- oder Unterschreitung einer bestimmten Temperatur bzw. einer bestimmten Temperaturspanne zu messen. Auf allen diesen Gebieten läßt sich die erfindungsgemäße Anordnung einsetzen. Der Strombedarf ist so gering, daß die Spannung durch eine kleine Batterie geliefert werden kann. Ss ist jedoch auch möglich, die Anordnung mit der Betriebsspannung von Geräten oder Anlagen zu versorgen, so daß Teraperatur-

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über- oder Unterschreitungen nur während der läinschaltzeiten dieser Geräte oder Anlagen gemessen werden.

Neben der frei wählbaren Schalttemperatur ist als ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung gegenüber bekannten Geräten hervorzuheben, daß nach Beendigung der Messung der Ausgangszustand der Zeitmeßanzeige wiederhergestellt werden kann. Außerdem ist die Anordnung gegenüber bekannten Lösungen wesentlich kleiner und robuster.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Für Temperatur-Zeit-Messungen werden je nach Temperaturbereich und Zeit individuell sehr unterschiedliche Kombinationen von Temperaturmeßgeräten und Zeitmeßeinrichtungen verwendet.

Temperaturraeßgeräte haben als temp er atur empfindliche .Elemente Festkörper-, Flüssigkeits- oder Gasthermometer, Thermoelemente oder Widerstandsthermometer oder nutzen magnetische, induktive, akustische oder Strahlungseffekte aus. Ihre Ausgangsinformationen sind entweder visuell ablesbar oder sie stehen als mechanische bzw. elektrische Größen zur Ablesung und Registrierung zur Verfügung.

Zur zeitlichen Registrierung der Temperaturmeßwerte existieren ebenfalls viele schreibende oder summierende Geräte. Weit verbreitet sind die Thermographen, bei denen ein Schreibstift, der durch einen Bimetallstreifen und eine Hebelanordnung entsprechend der Temperatur ausgelenkt wird, auf einer rotierenden Rolle den Temperaturverlauf als Kurve schreibt. Bei anderen gebräuahlichen Anordnungen wird der Temperaturtneßwert über einen Geber in eine elektrische Spannung umgewandelt, die durch schreibende Meßwerke registriert wird· Auch sind Anordnungen bekannt, bei denen die

elektrisch analogen Teraperaturmeßwerte digitalisiert und dann gespeichert werden.

Alle diese mechanischen und elektrischen bzw· elektronischen Anordnungen, die in ihrer Vielfalt nicht detailliert beschrieben werden können, weisen jedoch insgesamt entscheidende Nachteile auf: Für die zeitliche Registrierung ist ein beträchtlicher Aufwand an mechanischer öder elektrischer Energie erforderlich, und die Anordnungen sind dadurch relativ groß und unhandlich. Weiterhin müssen bei tiefen und hohen Temperaturen die temperaturempfindlichen Elemente getrennt von den Schreib- oder Registrierwerken aufgebaut werden. Obwohl die Peststellung der zeitlichen Über- oder Unterschreitung einer bestimmten Temperatur auf vielen Gebieten der Technik, der Meteorologie, der Landwirtschaft usw. von großem Interesse ist, fehlt bisher eine solche einfache, robuste und billige Anordnung zur Temperatur-Zeit-Messung. Insbesondere eignet sich keine der bekannten Lösungen für eine Miniaturisierung, die den Einbau in ein elektronisches Gerät gestatten würde.

Neben den verschiedenen mechanischen und elektrischen Anordnungen existieren noch physikalisch-chemische Anordnungen, die die Konsistenzänderung oder Diffusionsprozesse für eine Zeit-Temperatur-Messung ausnutzen. Auf diese Gruppe von Anordnungen soll deshalb nicht ausführlich eingegangen werden, weil sie irreversibel arbeiten. Stellvertretend für diese Gruppe kann die lirfindungsanraeldung "Anordnung zur Gefrierpunktkontrolle" genannt werden. Bei dieser Anordnung wird bei einer bestimmten Temperatur, die durch die Konstruktion und die Parameter der Anordnung festgelegt ist, ein Osmoseprozeß ausgelöst, der durch Farbumschlag oder Voluraenänderung erkennen läßt, welcher Zeitraum nach üirreichen der festgelegten Temperatur vergangen ist. Da die Auslösung dieses Prozesses zu irreversiblen Änderungen der Anordnung führt, läßt sie sich nur einmal verwenden.

Die erfindungsgemäße Anordnung kann dagegen nach Beendigung der Messung, das heißt nach Ablesung oder Signalisierung des Zeitraumes, der nach Erreichen der eingestellten Temperatur vergangen ist, problemlos in den Ausgangszustand zurückgesetzt und für erneute Messungen verwendet werden·

Weiterhin ist es möglich, zu beliebigen einstellbaren Zwischenzeiten Signale oder Schaltvorgänge auszulösen. Schließlich gestattet es die Anordnung, Meßzeiten von wenigen Stunden bis zu etwa 10 000 Stunden mit einer Genauigkeit von 2 % zu erfassen, was bisher nur mit großem Aufwand möglich war.

Ziel der Erfindung

Die jürfindung setzt sich zum Ziel, die zeitliche Über- oder Unterschreitung einer bestimmten, innerhalb eines Temperaturbereiches frei einstellbaren Temperatur für ein großes Zeitintervall durch eine kleine, mit geringem Strombadarf arbeitende Anordnung zu realisieren. Die Anordnung soll nach Beendigung der Messung rückstellbar sein.

Darlegung des Wesens der üirfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die an sich bekannten kontaktthermometer mit den an sich ebenfalls bekannten Quecksilbercoulometern so zu kombinieren, daß die Vorzüge der Coulometer - Ihr geringer elektrischer Eigenverbrauch, ihre weitgehende Temperaturunabhängigkeit und ihr großer Strom-Zeit-Meßbereich, mit den Vorzügen der Kontaktthermometer - einer präzisen Einstellmöglichkeit von Temperaturgrenzen und einer Miniaturisierungsmöglichkeit, zu einer neuen Temperatur-Zeit-Anordnung vereinigt werden, die

beide Vorzüge aufweist. Sie soll damit einfacher und en ergieaparender arbeiten als bisher bekannte Anordnungen.

jirfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Kontakttherraometerteil in einer gemeinsamen Anordnung mit einem Quecksilbercoulometerteil so verbunden wird, daß beide Anordnungen elektrisch in Serie liegen und dann gemeinsam von einem elektrischen Strom durchflossen werden, wenn eine am Kontaktthermoraeterteil eingestellte Temperatur über- oder unterschritten wird und die Registrierung des nach über- oder Unterschreitung der Schalttemperatür ablaufenden ZeitIntervalls erfolgt.

Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung für eine Variante un-' ter Verwendung eines Quecksilberkontaktthermometerteils. Dieses befindet sich im linken Teil des U-förmig gebogenen Glasrohres mit unterschiedlicher Innenweite und besteht aus einem Kölbchen, das den Quecksilbervorrat enthält, einer Quecksilbersäule 1 in einer Kapillare und darüber Edelgas. In die Kapillare taucht ein Draht 4» der in bekannter Weise in seiner Höhe durch Drehung des Metallzylinders 5 gestellt werden kann. Diese Drehung erfolgt von außen mit einem Magneten. Über diesem Metallzylinder befindet sich der Quecksilbervorrat 2 für den Couloraeterteil der Anordnung. Dieser Teil besteht aus einer zu Beginn der Messung sehr kleinen Quecksilbersäule 3» über der sich ein wäßriger Elektrolyt 6 befindet, der den Quecksilbervorrat 2 bedeckt.

Die Elektrode A der Anordnung wird über einen Vorwiderstand mit dem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden, die Elektrode K mit dem negativen Pol. Wenn die Temperatur der Anordnung den mit dem verstellbaren Draht 4 eingestellten y/ert erreicht hat, fließt Strom über A, die Quecksilbersäule 1 des Kontaktthermotneterteiles, den Jinstelldraht 4, den Quecksilbervorrat 2, den wäßrigen üilektrolyt 6 und den

Quecksilberanteil 3 zum negativen Pol der Spannungsquelle. Dabei tritt in dem Bereich Quecksilbervorrat 2 - wäßriger Elektrolyt 6 - Quecksilberanteil 3 eine Elektrolyse dergestalt ein, daß Quecksilberionen aus dem Quecksilbervorrat 2 durch den wäßrigen Elektrolyt 6 zum Quecksilberanteil 3 wandern und dort abgeschieden werden. Der Quecksilberanteil 3 wächst also bei andauerndem Stromfluß als Quecksilberteilsäule gemäß dem Paradayschen Gesetz M = A · 1 . £t, wenn mit M die abgeschiedene Stoffmenge und mit ^t die Stromflußzeit des konstanten Stromes I bezeichnet wird und A das elektrochemische Potential ist, das angibt, wieviel Gramm eines bestimmten Ions von einer As abgeschieden werden. Bei hinreichenden konstantem Strom, der bei konstanter Spannung und großem Vorwiderstand erzielt werden kann, ist das Anwachsen dieser Teilsäule in einem weiten Temperaturbereich nahezu temperaturunabhängig und ist damit vorzüglich geeignet, zusammen mit dem eigentlichen Thermometerteil als Einheit angeordnet zu werden. Diese Teilsäule 3 ist somit direkt proportional der Zeitdauer, während der sich der -Sinstelldraht 4 im Kontakt mit der Quecksilberteilsäule 1 befindet. Die Wachstumsgeschwindigkeit kann durch den in Figur 1 nicht gezeichneten Vorwiderstand in Verbindung mit der anliegenden Spannung und damit durch den Strom in weiten Grenzen eingestellt werden. Üblich sind Wachstumsgeschwindigkeiten von einigen Stunden bis zu 10 000 Stunden für die Anordnung, iiin noch schnelleres Wachstum der Quecksilberteilsäule 3 würde einen größeren Strom erfordern. Hier besteht allerdings eine Grenze durch die Bedingung, daß bei der Elektrolyse kein<§ Gasentwicklung auftreten darf. Die während des Elektrolyseprozesses erfolgende Abnahme des Quecksilberrorrates 2 um M Gramm wird in der Quecksilberteilsäule 3 angelagert, so daß insgesamt keine Volumenänderung im Coulometerteil der Anordnung eintritt. Nach Beendigung der Messung kann der in 3 befindliche Quecksilberanteil durch einfaches Kippen der Anordnung in den Vorratsteil 2 zurückbefördert werden. Die Anordnung

ist damit für neue Messungen einsatzbereit. Obwohl in Figur 1 nur der Schaltvorgang für das Überschreiten einer bestimmten Temperatur angegeben ist, gelten die gleichen Ausführungen natürlich auch für das Unterschreiten. In einem solchen Falle ist beispielsweise anstelle des gestreckten Thermometerteiles der Minusschenkel eines dem Maximum-Miniraum-Thermometer analogen Quecksilbertherraometers zu verwenden. Obwohl die in Figur 1 beschriebene Anordnung für viele Anwendungen in der Meteorologie, Landwirtschaft und Technik am geeignetsten sein dürfte und die Schalttemperatur sehr genau eingestellt werden kann, ist für die Temperatur-Zeit-Messung besonders in elektronischen Geräten eine andere Variante der erfindungsgemäßen Anordnung zweckmäßiger. Ihr Prinzip verdeutlicht Figur 2. Hier wird anstelle des Quecksilberkontaktthermometerteils ein Biraetallkontaktthermometerteil 4 verwendet, dessen Anschlüsse an die mit K bezeichnete Elektrode bzw· an einen metallischen oder metallisierten Zylinder 5 gelegt werden, von dem eine Elektrode H nach außen geführt ist. Zwischen der Elektrode A und diesem Zylinder 5 befinden sich in einem kapillaren Röhrchen die Quecksilberteilsäulen 1 und 2, zwischen denen sich ein kleiner Einschluß aus einem wäßrigen Elektrolyt 3 befindet. Wenn diese Anordnung über einen Vorwiderstand an eine Spannungsquelle gelegt wird, so wandert der elektrolytische Einschluß dann von H nach A, wenn der Bimetallschalter-Kontakt geschlossen ist_e

Das Schließen des Bimetallschalters kann je nach Ausführungsforra wahlweise beim Erreichen und Überschreiten einer bestimmten Temperatur oder beim Erreichen und Unterschreiten einer bestimmten Temperatur erfolgen. Durch Verstellen einer in Figur 2 nicht eingezeichneten Schraube kann die Schalttemperatur in an sich bekannter Weise verändert werden. Auch ist es möglich, durch Anordnung von 2 Schaltkontakten nur dann einen Strom durch die Anordnung fließen zu lassen, wenn ein bestimmtes Temperaturintervall unter- und überschritten wird·

Nach Beendigung der Messung wird an A über einen Vorwiderstand eine negative, an H eine positive Spannung gelegt. Dadurch wandert der elektrolytische Zwischenraum in seine Ausgangslage zurück.

Die in Figur 2 beschriebene Variante läßt sich auch weitgehend miniaturisieren. Eine technologisch besonders effektive Lösung ist dadurch denkbar, daß die zwischen A und H liegende Kapillare als Rille in einer aus zwei Plättchen bestehenden Sandwichanordnung ausgebildet wird, wobei das obere Plättchen aus Glas oder einem durchsichtigen Kunststoff bestehen soll. Diese Rille muß nicht gestreckt verlaufen, sondern kann auch kurvenförmig sein. Durch den in der gleichen Anordnung angebrachten miniaturisierten Bimetallschalter hat eine solche Anordnung nur noch die Abmessungen eines üblichen mikroelektronischen Schaltkreises und ist lageunabhängig.

Obwohl die Ablesung der von dem elektrolytischen Zwischenraum zurückgelegten Wegstrecke die einfachste Meßmethode ist, können in an sich bekannter Weise durch seitlich oder an der Stirnseite in die Quecksilbersäule ragende Elektroden sowohl bei Anordnungen gemäß Figur 1 als auch bei Anordnungen gemäß Figur 2 Sehaltvorgänge ausgelöst werden, wenn über diese zusätzlichen Elektroden ein Wechselstrom geleitet wird.

.Ja ist auch bekannt, daß in einem solchen elektrolytischen Zwischenraum ein magnetischer Körper eingebracht wird, dessen Lage durch Außenspulen erkennbar wird. Auch die Verwendung von halbleitendem Material für die Wände des Coulometerteiles kann dem Zweck dienen, die Lage des iiinschlusses elektrisch kontinuierlich von außen zu erkennen und Signaloder Sehaltvorgänge auszulösen.

Alle diese verschiedenen Möglichkeiten zur Umsetzung der zurückgelegten Wegstrecke in elektrische Signalgrößen sollen die vielseitigen Einsatzgebiete der erfindungsgeraäßen Anordnung zeigen.

AusfUhrungsbeispiel

In einem Ausführungsbeispiel, das gemäß der in Figur 2 skizzierten technischen Variante aufgebaut war, wurde ein Keramikplättchen von 25 ram Länge und 10 mm Breite mit einer Rille von 0,3 mm Breite und weniger als 0,3 mm Tiefe versehen. Die Rille war an einem stirnseitigen Ende durch eine Platinelektrode und an dem anderen iiJnde durch ein mit Platin beschichtetes Keramikpfröpfchen abgeschlossen, von dem außerdem eine Leiterschicht nach außen führte. Hinter dem Kontaktpfröpfchen war in das Keramikplättchen ein kleiner Hohlraum eingelassen, in dem sich ein miniaturisiertes Biraetallkontaktthermometer befand, dessen Schalttemperatur durch ein Schräubchen von außen einstellbar war. Als Deckplättchen wurde_ eine Glasscheibe aufgÄkittet. Der mit wäßrigem Elektrolyt gefüllte Zwischenraum wurde auf 0,4 mm Länge bemessen. Die gesamte Anordnung wurde außen mit Anschlußfahnen ähnlich dem Dual-in-line-Gehäuse bei integrierten Schaltkreisen versehen.

Über einen Vorwiderstand wurde der in Schaltstellung des Biraetallschaltkontaktthermometers durch die gesamte Anordnung fließende Strom auf 4^A eingestellt. Bei diesem Strom durchwanderte der elektrolytische Zwischenraum die gesamte Wegstrecke in 1000 Stunden. Bei Verdopplung dieses Elektrolysestromes, was sowohl durch Verringerung des Vorwiderstandes als auch durch Erhöhung der Spannung geschehen kann, benötigt der .Einschluß nur noch die halbe Zeit, bei Halbierung dieses Stromes dagegen die doppelte Zeit zum Durchlaufen der vorhandenen Wegstrecke. Die Teraperaturab-

hängigkeit war zwischen -20 C und +70 C äußerst gering« Der Widerstand des Elektrolyten lag bei ca. 100 Ohm, und seine Widerstandsänderung in diesem Temperaturintervall war gegenüber dem großen Vorwiderstand vernachlässigbar·

Claims (6)

1. jirf indungs anspruch

   1. Anordnung zur Temperatur-Zeit-Messung, bestehend aus einem Quecksilbercouloraeterteil und einem elektrisch in Serie liegenden Kontaktthermometerteil, gekennzeichnet dadurch, daß bei Über- und/oder Unterschreitung einer bestimmten Temperatur Strom durch das Quecksilbercoulometerteil fließt.
2. 2. Anordnung zur Temperatur-Zeit-Messung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Kontaktthermometerteil ein mit verstellbarem Kontaktdraht ausgerüstetes Quecksilberthermometer ist.
3. 3. Anordnung zur Teraperatur-Zeit-Messung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß als Kontaktthermometerteil ein Bimetallthermometer mit verstellbarem Temperaturschaltpunkt Verwendung findet.
4. 4. Anordnung zur Temperatur-Zeit-Messung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß sich der Quecksilbervorrat für den Elektrolyseprozeß in einem Kölbchen befindet, in das das elektrolytisch abgeschiedene Quecksilber durch Kippen der Anordnung zurückfließen kann.
5. 5. Anordnung zur Temperatur-Zeitmessung gemäß Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß eine weitere Elektrode an der Übergangsstelle zwischen dem Kontaktthermometerteil und dem Quecksilbercouloraeterteil zur Durchleitung eines entgegengesetzt gerichteten Stromes durch das Quecksilbercoulometer angebracht wird·
6. 6. Anordnung zur Temperatur-Zeit-Messung gemäß Punkt 3, gekennzeichnet dadurch, daß das Quecksilbercoulometerteil durch eine rillenförmige Aussparung in einer aus 2 Plättchen bestehenden Sandwichanordnung gebildet wird.

   Hierzu 1 Seita Zeichnungen