DE102009056724A1

DE102009056724A1 - Temperaturmessvorrichtung und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102009056724A1
Application number: DE200910056724
Authority: DE
Inventors: Remzi Zecirovic
Original assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Current assignee: Bundesanstalt fuer Materialforschung und Pruefung BAM
Priority date: 2009-12-02
Filing date: 2009-12-02
Publication date: 2011-06-09
Also published as: WO2011067164A1

Abstract

Eine Temperaturmessvorrichtung (100), umfasst ein erstes metallisches Leiterelement (101) mit einem ersten Leiterquerschnitt (103) und einer ersten Leiterlängsachse (104), welches eine erste Kontaktierungsstirnfläche (102) als eine Endfläche senkrecht zu der ersten Leiterlängsachse (104) aufweist; mindestens ein zweites metallisches Leiterelement (201) mit einem zweiten Leiterquerschnitt (203) und einer zweiten Leiterlängsachse (204), welches eine zweite Kontaktierungsstirnfläche (202) als eine Endfläche senkrecht zu der zweiten Leiterlängsachse (204) aufweist, wobei die zweite Kontaktierungsstirnfläche (202) mit der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) an mindestens einer lokalen Kontaktstelle (301) elektrisch verbunden ist, wobei das erste metallische Leiterelement (101) und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement (201) aus unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle (301) einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte (103; 203) ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement (201) verbundene Bestimmungseinrichtung (300), die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der Kontaktstelle (301) auf der Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement (201)

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Temperaturmessvorrichtungen zur Messung von Temperaturen an Festkörpern, in Flüssigkeiten und in Gasen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine Temperaturmessvorrichtung, welche zur Temperaturmessung von schnell strömenden, gasförmigen Medien ausgelegt ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Temperatursensors.
Thermoelemente zur Temperaturmessung bestehen typischerweise aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern, die an einem Punkt elektrisch miteinander verbunden sind. Auf der Grundlage des Seebeck-Effekts entsteht bei einer Temperaturdifferenz zwischen dem Verbindungspunkt der beiden metallischen Leiter und den Endpunkten der metallischen Leiter eine Thermospannung, welche eine Funktion der Temperaturdifferenz ist.
Ein elektrisches Potenzial zwischen dem Verbindungspunkt und den Anschlusspunkten der beiden metallischen Leiter wird daher mittels eines Messsystems erfasst und als eine relative oder absolute Temperatur zur Anzeige gebracht.
Thermoelemente weisen ein breites Anwendungsfeld auf, da die Kombination unterschiedlicher metallischer Leiter äußerst vielfältig ist.
Werden die beiden metallischen Leiter miteinander verbunden, so erfolgt dies zumeist in einem Schweißprozess, bei welchem an dem Verbindungspunkt eine Aufschmelzung beider Metalle der beiden metallischen Leiter erfolgt, derart, dass beispielsweise eine Perle gebildet wird. Eine derartige Perle weist typischerweise ein Gemisch aus 50% des einen Metalls und 50% eines anderen Metalls auf. Der Durchmesser solcher Perlen ist wesentlich größer als der Querschnitt der metallischen Leiter, welche als Anschlussdrähte für das Thermoelement dienen.
Aus diesem Grund weist eine Sensorperle, die als Temperaturmesseinrichtung eingesetzt wird, eine hohe Wärmekapazität auf. Hohe Wärmekapazitäten führen zu niedrigen Temperatur-Ansprechzeiten, d. h. eine Trägheit bei der Erfassung von Temperaturen von sich schnell verändernden Medien ist vorhanden.
In Anbetracht der obigen Ausführungen wird eine Temperaturmessvorrichtung bereitgestellt, welche geringe Ansprechzeiten aufweist.
Gemäß einem Aspekt wird eine Temperaturmessvorrichtung bereitgestellt, welche einschließt: ein erstes metallisches Leiterelement mit einem ersten Leiterquerschnitt und einer ersten Leiterlängsachse, welches eine erste Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche senkrecht zu der ersten Leiterlängsachse aufweist; mindestens ein zweites metallisches Leiterelement mit einem zweiten Leiterquerschnitt und einer zweiten Leiterlängsachse, welches eine zweite Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche senkrecht zu der zweiten Leiterlängsachse aufweist, wobei die zweite Kontaktierungsstirnfläche mit der ersten Kontaktierungsstirnfläche an mindestens einer lokalen Kontaktstelle elektrisch verbunden ist, wobei das erste metallische Leiterelement und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement aus unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement verbundene Bestimmungseinrichtung, die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der Kontaktstelle auf der Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen Leiterelement und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Temperaturmessvorrichtung bereitgestellt, welche einschließt: ein erstes metallisches Leiterelement mit einem ersten Leiterquerschnitt und einer ersten Leiterlängsachse; mindestens ein zweites metallisches Leiterelement mit einem zweiten Leiterquerschnitt und einer zweiten Leiterlängsachse, wobei das erste metallische Leiterelement und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement an mindestens einer lokalen Kontaktstelle elektrisch derart miteinander verbunden sind, dass die erste Leiterlängsachse und die zweite Leiterlängsachse im Bereich der lokalen Kontaktstelle koaxial verlaufen, wobei das erste metallische Leiterelement und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement aus unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement verbundene Bestimmungseinrichtung, die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der Kontaktstelle auf der Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen Leiterelement und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement. Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird Verfahren zum elektrischen Verbinden eines ersten metallischen Leiterelements, welches einen ersten Leiterquerschnitt aufweist, mit mindestens einem zweiten metallischen Leiterelement, welches einen zweiten Leiterquerschnitt aufweist, bereitgestellt, mit den Schritten: Bereitstellen einer ersten Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche des ersten metallischen Leiterelements; Bereitstellen einer zweiten Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche des zweiten metallischen Leiterelements; und Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche an mindestens einer lokalen Kontaktstelle, welche einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner ist als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte.
In einem Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen senkrecht zu den jeweiligen Leiterlängsachsen orientiert. Typischer Weise werden die unterschiedlichen metallischen Materialien als eine Materialkombination aus der Gruppe Eisen-Konstantan, Eisen-Nickel, Konstantan-Platin, Nickel-Chrom-Konstantan, oder jedweder Kombination davon bereitgestellt.
Eine Mischschicht kann sich an den aneinander grenzenden Kontaktierungsstirnflächen ausbilden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weist die Mischschicht einen Durchmesser in einem Bereich von 10 μm bis 100 μm, und typischerweise einen Durchmesser von etwa 26 μm auf. Hiebei können die metallischen Leiterelemente jeweils einen radialsymmetrischen Querschnitt aufweisen. Der radialsymmetrische Querschnitt weist typischer Weise einen Durchmesser von etwa 0,2 mm oder weniger auf. Hierbei kann die lokale Kontaktstelle einen Flächeninhalt in einem Bereich von etwa 0,08 mm² bis 0,15 mm², und typischerweise von etwa 0,12 mm² aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen jeweils planar geschliffene Oberflächen auf.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Bestimmungseinrichtung als ein Spannungsmesser bereitgestellt. Ferner kann die Bestimmungseinrichtung eine Referenztemperatur-Messstelle aufweisen.
Die erste Kontaktierungsstirnfläche und die zweite Kontaktierungsstirnfläche können vor dem Schritt eines Verschweißens miteinander mittels eines Mikroskops zueinander justiert werden.
Eine typische Verwendung der Temperaturmessvorrichtung nach mindestens einem Ausführungsbeispiel schließt eine Messung eines zeitlichen Temperaturverlaufs in einer Explosionsfront eines gezündeten Gasgemisches ein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Thermoelement-basierte Temperaturmessvorrichtung mit einer Darstellung relevanter Thermospannungen gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2 eine Temperaturmessvorrichtung mit Messstelle, Referenztemperaturstelle und Bestimmungseinrichtung, gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel;
3 ein erstes metallisches Leiterelement und ein zweites metallisches Leiterelement vor einer Verbindung derselben;
4 die in der 3 dargestellten ersten und zweiten metallischen Leiterelemente nach einer Verbindung derselben, gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel;
5(a) eine seitliche Ansicht eines Flachband-Thermoelements mit ersten und zweiten metallischen Leiterelementen;
5(b) eine Draufsicht der ersten und zweiten metallischen Leiterelemente sowie einer schematischen Darstellung einer Kontaktstelle, gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel;
6 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines ersten metallischen Leiterelements mit mindestens einem zweiten metallischen Leiterelement veranschaulicht;
7 einen Querschnitt durch ein Messrohr zum Testen einer Temperaturmessvorrichtung gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel;
8 eine Querschnittsansicht einer optischen Lichtstreueinrichtung zur Erfassung einer Gasströmungsgeschwindigkeit;
9 eine Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung der mit Hilfe des in 8 gezeigten Messaufbaus gewonnenen Signale; und
10 einen Graphen, welcher ein Temperaturmessdiagramm veranschaulicht, das einen mit einer Temperaturmessvorrichtung gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel ermittelten Temperaturverlauf darstellt.
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
Eine Temperaturmessvorrichtung 100 gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel ist in 1 dargestellt. Ein erstes metallisches Leiterelement 101, das beispielsweise aus Eisen bestehen kann, ist mit einem zweiten metallischen Leiterelement 201, das beispielsweise aus einem unterschiedlichen Metall, wie Konstantan, bestehen kann, an einer lokalen Kontaktstelle 301 elektrisch leitend verbunden. Dieser Verbindungspunkt, d. h. die Kontaktstelle 301, befindet sich auf einer Temperatur T₁.
Das zweite metallische Leiterelement 201 ist gemäß der in 1 gezeigten Ausführungsform mit einem weiteren ersten metallischen Leiterelement 101 an einer Referenztemperaturstelle 303 verbunden, welche sich auf einer Temperatur T₂ befindet. Ferner sind die ersten metallischen Leiterelemente 101 jeweils mit einer Anschlussleitung 302, die beispielsweise aus Kupfer ausgelegt sein kann, verbunden und weisen Anschlusspunkte auf, an welchen eine Spannung U abgegriffen werden kann. Die Spannung U ergibt sich aus der folgenden Beziehung: U = U₁ + U₂ (1)
Befinden sich die beiden Verbindungspunkte, d. h. die Kontaktstelle 301 und die Referenztemperaturstelle 303, auf gleicher Temperatur, d. h. T₁ = T₂, dann heben sich die Spannungen U₁ und U₂ gerade auf, da sie von gleichem Betrag und entgegengesetzt polarisiert sind, so dass sich eine Gesamtspannung von U = 0 ergibt. Die Einzelspannungen U₁ und U₂ ergeben sich aus den folgenden Gleichungen:
Die in den Gleichungen (2) und (3) angegebenen Thermospannungen sind von der jeweiligen Temperatur der Verbindungsstelle 301, 303 (T₁, T₂) und jeweils dem Logarithmus (natürlicher Logarithmus) der Elektronenzahldichten N₁ des ersten metallischen Leiterelements 101 und N₂ des zweiten metallischen Leiterelements 201 abhängig.
Die Elektronenzahldichten n₁ und n₂ sind von dem Material des entsprechenden metallischen Leiterelements 101, 201 abhängig. k bezeichnet die Boltzmann-Konstante und e bezeichnet die Elementarladung.
Für eine vorgegebene Materialkombination, beispielsweise Eisen für das erste metallische Leiterelement 101 und Konstantan für das zweite metallische Leiterelement 201, ergibt sich ein festes Verhältnis der Elektronenzahldichten n₁ und n₂, so dass die beiden obigen Gleichungen (2) und (3) zusammengefasst werden können und eine messbare und durch eine Auswerteeinrichtung (in 1 nicht gezeigt) auswertbare Gesamtspannung U erhalten wird gemäß unten stehender Gleichung:
Die messbare Spannung U ist somit direkt proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen der Kontaktstelle 301 und der Referenztemperaturstelle 303, wie folgende Gleichung zeigt: U = c·(T₁ – T₂) (5)
Hierbei ist die Konstante c eine Konstante, die von der Boltzmann-Konstante, der Elementarladung und dem Logarithmus aus dem Quotienten der Elektronenzahldichten n₁ des ersten metallischen Leiterelements 101 und n₂ des zweiten metallischen Leiterelements 201 abhängt.
Auf der Grundlage der in der obigen Gleichung (5) gegebenen Beziehung lässt sich nunmehr durch die Anwendung des Seebeck-Effekts ein Temperaturmesssystem auslegen.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass die oben stehend beschriebenen Thermospannungen auch an den Metall-Metall-Übergängen zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und der Anschlussleitung 302 einerseits und dem zweiten metallischen Leiterelement 201 und der Anschlussleitung 302 andererseits vorhanden sind.
Diese Thermospannungen heben sich jedoch gegenseitig auf, da sich diese Metall-Metall-Übergänge stets auf gleicher Temperatur, z. B. Raumtemperatur, befinden. Weiterhin kann das erste metallische Leiterelement 101 aus dem gleichen Material wie die Anschlussleitung 302 (Eisen, Kupfer, ...) bestehen, so dass keine zusätzlichen Thermospannungen auftreten, da keine Übergangsstelle zwischen unterschiedlichen Metallen vorhanden ist.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 auch aus Metalllegierungen gebildet sein können. Für die Funktionsweise des thermoelektrischen Effekts (Seebeck-Effekt) ist es lediglich entscheidend, dass die an den Kontaktpunkten verbundenen ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 unterschiedliche elektrochemische Potenziale aufweisen.
Ein derartiger Metall-Metall-Übergang ist gemäß typischen Ausführungsformen, wie sie unten stehend beschrieben werden, ausgelegt. Durch die Wirkung des Seebeck-Effekts hängt das elektrische Potenzial, das an dem Verbindungspunkt zwischen zwei unterschiedlichen Metallen erzeugt wird, nur von der Natur (Elektronenzahldichte) der beiden Metalle und der Temperatur an dem Verbindungspunkt im Vergleich zu einer Referenztemperaturstelle ab.
2 zeigt ein Blockdiagramm einer Temperaturmessvorrichtung 100 basierend auf dem Seebeck-Effekt. Die zu messende Temperatur ist mit T₁ bezeichnet, d. h. die Temperatur der Kontaktstelle 301, an welcher das erste metallische Leiterelement 101 mit dem zweiten metallischen Leiterelement 201 kontaktiert ist, wird durch die Temperaturmessvorrichtung 100 erfasst.
Infolge des thermoelektrischen Effekts ist zwischen den nicht verbundenen Enden des ersten metallischen Leiterelements 101 und des zweiten metallischen Leiterelements 201 eine Thermospannung U₁ gemäß obiger Gleichung (2) abgreifbar. Diese Spannung wird zu einer Referenztemperaturstelle 303 über Leitungen, gegebenenfalls über die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 übertragen. Die Referenztemperaturstelle 303 befindet sich auf einer Referenztemperatur T₂, wobei die Referenztemperatur T₂ beispielsweise durch Eiswasser bereitgestellt sein kann. Über die Anschlussleitungen 302 wird die gemessene Spannungsdifferenz (Gesamtspannungsdifferenz U gemäß Gleichung (4) oben) zu einer Differenzspannungsmesseinrichtung 304 übertragen, welche in einer Bestimmungseinrichtung 300 enthalten ist.
Die Bestimmungseinrichtung 300 dient einer Bestimmung einer Temperatur T₁ an der Kontaktstelle 301 als Funktion der gemessenen Thermospannung. Zu diesem Zweck weist die Bestimmungseinrichtung 300 ferner einen Analog-Digital-Umsetzer 305 auf, der mit der Differenzspannungs-Messeinrichtung 304 in der Bestimmungseinrichtung 300 verbunden ist.
Als Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers 305 wird über eine Ausgabeeinheit 306, welche mit dem Analog-Digital-Umsetzer 305 verbunden ist, ein Wert ausgegeben, der einer Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen T₁ und T₂, d. h. T₂ – T₂ entspricht. Da die Temperatur T₂ bekannt ist, lässt sich auf diese Weise anhand des Ausgangssignals der Ausgabeeinheit 306 die Temperatur T_1b bestimmen.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass unterschiedliche metallische Materialien für eine Materialkombination an der Kontaktstelle 301 eingesetzt werden, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Materialkombinationen aus der Gruppe Eisen-Konstantan, Eisen-Nickel, Konstantan-Platin, Nickel-Chrom-Konstantan, etc. Die Wahl der Materialkombination hängt von der zu messenden Temperatur ab, d. h. je höher die zu messende Temperatur ist, desto höher sollte auch der Schmelzpunkt der eingesetzten Materialien sein.
Die in 2 gezeigte Bestimmungseinrichtung 304 ist vorzugsweise als Entspannungsmesser ausgelegt, dessen Ausgangssignal in dem Analog-Digital-Umsetzer 305 von dem analogen Spannungswert (U, siehe 1) in einen entsprechenden Digitalwert umgesetzt wird. In der Bestimmungseinrichtung 300 kann sich die Referenztemperaturstelle 303 verhinden. Ferner kann die Referenztemperaturstelle 303 außerhalb der Bestimmungseinrichtung 300 angeordnet sein, wie in 2 gezeigt, wobei die Bestimmungseinrichtung 300 dann mit der Referenztemperaturstelle 303 über die Anschlussleitungen 302 elektrisch verbunden ist.
Um zeitliche Schwankungen der zu messenden Temperatur T₁ an der Kontaktstelle 301 mit einer hohen zeitlichen Dynamik messen zu können, müssen Wärmekapazitäten, die mit einer Änderung der zu messenden Temperatur T₁ zusammenhängen, möglichst klein ausgelegt werden. Daher ist insbesondere die Wärmekapazität der Kontaktstelle 301 klein auszulegen, wenn eine hohe zeitliche Dynamik erreicht werden soll.
3 zeigt zwei unter einem Differenzwinkel 307 angeordnete metallische Leiterelemente, d. h. ein erstes metallisches Leiterelement 101, welches eine erste Leiterlängsachse 104 aufweist, und ein zweites metallisches Leiterelement 201, welches eine zweite Leiterlängsachse 204 aufweist. Hierbei weisen die ersten und zweiten Leiterlängsachsen 104, 204 den Differenzwinkel 307 zueinander auf. An der Kontaktstelle 301 (siehe 4) werden das erste metallische Leiterelement 201 und das zweite metallische Leiterelement 201 miteinander elektrisch kontaktiert. Die beiden metallischen Leiterelemente 101, 201 weisen einander zugewandte Kontaktierungsstirnflächen auf, d. h. das erste metallische Leiterelement 101 weist eine erste Kontaktierungsstirnfläche 102 auf, während das zweite metallische Leiterelement 201 eine zweite Kontaktierungsstirnfläche 202 aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens (siehe unten stehend unter Bezug nehmend auf 6) ist es nunmehr vorteilhaft, wenn die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen 102, 202 planar aneinander stoßen. Zu diesem Zweck werden, wie unten stehend beschrieben wird, die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 derart ausgerichtet, dass die erste Leiterlängsachse 104 koaxial zu der zweiten Leiterlängsachse 204 ausgerichtet ist.
Auf diese Weise ist es möglich, einen äußerst geringen Bereich einer Kontaktierung (Kontaktierungsfläche) zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und dem zweiten metallischen Leiterelement 201 vorzusehen. Durch eine Verringerung einer Masse des Übergangsbereichs zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und dem zweiten metallischen Leiterelement 201 ist es möglich, eine Wärmekapazität der Übergangsstelle zu verringern und dadurch eine Ansprechzeit des Thermoelements zu verbessern.
Besteht beispielsweise das erste metallische Leiterelement 101 aus Eisen und besteht ferner das zweite metallische Leiterelement 201 aus Konstantan (Kupfer-Nickel, Cu-Ni), so lassen sich mit einem derart aufgebauten Thermoelement Temperaturen typischerweise in einem Bereich von –200°C bis –700°C messen.
Bei einer Herstellung eines Thermoelements gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen senkrecht zu den jeweiligen Leiterlängsachsen orientiert, d. h. die erste Kontaktierungsstirnfläche 102 ist senkrecht zu der ersten Leiterlängsachse 104 ausgelegt, während die zweite Kontaktierungsstirnfläche 202 senkrecht zu der zweiten Leiterlängsachse 204 ausgelegt ist.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches mit anderen Ausführungsbeispielen, welch hierin beschrieben sind, kombiniert werden kann, weisen die metallischen Leiterelemente (101, 102) einen radial symmetrischen Querschnitt auf. Der radialsymmetrische Querschnitt besitzt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 0,2 mm oder weniger.
Gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel, welches mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, weisen die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen 102, 202, der ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 jeweils planare geschliffene Oberflächen auf. Derartige Oberflächen der ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen 101, 202 werden beispielsweise mittels Schleifen planarisiert.
4 zeigt die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 in einem verbundenen Zustand. Wie in 4 gezeigt, verlaufen die ersten und zweiten Leiterlängsachsen 104, 204 an der Kontaktstelle 301 koaxial. Zu diesem Zweck werden die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 mittels eines Mikroskops derart ausgerichtet, dass die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen 102, 202 (siehe 3) planar einander gegenüberstehen und mit möglichst kleiner Masse aufeinander geschweißt werden können.
Um die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 aufeinander auszurichten, kann gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Mikroskop herangezogen werden. Hierbei werden die ersten und zweiten Leiterlängsachsen 104, 204 aufeinander ausgerichtet, wobei anschließend ein Verschweißen in Richtung der Leiterlängsachsen 104, 204 durchgeführt wird. Ferner ist es möglich, das Herstellungsverfahren mittels einer automatischen Führungseinrichtung durchzuführen. Hierbei werden die Leiterelemente zwischen Druckplatten eingespannt, an den einander zugewandten Enden plan poliert und mittels einer Stelleinrichtung aufeinander zu bewegt. Eine derartige Stelleinrichtung kann beispielsweise als ein elektromagnetischer Aktor bereitgestellt sein, welcher die Druckplatten in Richtung der Längsachse der Leiterelemente derart bewegt, dass die plan polierten Enden aneinander angrenzen.
Auf diese Weise werden die beiden planarisierten Kontaktierungsstirnflächen 102, 202 miteinander verschweißt. Durch die Justage mittels Mikroskop ist gewährleistet, dass die Kontaktstelle 301, die eine Verbindungsstelle zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und dem zweiten metallischen Leiterelement 202 darstellt, einen möglichst kleinen Flächeninhalt aufweist.
Zum Verschweißen des ersten metallischen Leiterelements 101 mit dem zweiten metallischen Leiterelement 201 an den jeweiligen Kontaktierungsstirnflächen 102, 202 wird ein Stromfluss durch das erste und zweite metallische Leiterelement 101, 201 bereitgestellt. Wie der Strom durch die Leiterelemente hinsichtlich seines Zeitverlaufs gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel ausgelegt ist, wird unten stehend unter Bezugnahme auf 6 erläutert.
5(a) ist eine Seiten-Querschnittsansicht einer Kontaktstelle 301 zwischen einem ersten metallischen Leiterelement 101 und einem zweiten metallischen Leiterelement 201. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die ein Thermoelement ausbildenden ersten und zweiten metallischen Leiterelemente einen beliebigen Querschnitt aufweisen können, d. h. der Querschnitt kann kreisförmig, radialsymmetrisch, elliptisch oder rechteckförmig sein, wie in 5 veranschaulicht.
5(b) veranschaulicht eine Querschnitts-Draufsicht auf eine Kontaktstelle 301 zwischen zwei flachbandartig ausgebildeten metallischen Leiterelementen 101, 201.
Wie aus 5(b) deutlich zu erkennen ist, ist eine Verbindungsfläche zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und dem zweiten metallischen Leiterelement 201 bzw. zwischen der ersten Kontaktierungsstirnfläche 102 und der zweiten Kontaktierungsstirnfläche 202 (in 5 nicht gezeigt) gleich oder kleiner als eine Querschnittsfläche des ersten oder zweiten metallischen Leiterelements 101, 201. Auf diese Weise ist es möglich, dass eine Wärmekapazität des Übergangs, d. h. des Übergangs Metall-Metall, von dem ersten metallischen Leiterelement 101 auf das zweite metallische Leiterelement 201 eine äußerst geringe Wärmekapazität aufweist.
In 5(b) sind zwei aus unterschiedlichen Materialien ausgebildete metallische Leiterelemente 101, 201 dargestellt. So entsprechen die in dem ersten metallischen Leiterelement 101 dargestellten, schraffierten Kreise Atomen eines ersten metallischen Materials, während die in dem zweiten metallischen Leiterelement 201 dargestellten nichtausgeführten Kreise Atomen eines zweiten metallischen Materials entsprechen. In dem Übergangsbereich bildet sich an der Kontaktstelle 301 eine Mischschicht zwischen Atomen des ersten metallischen Leiterelements 101 und Atomen des zweiten metallischen Leiterelements 201.
An einer Grenzschicht zwischen einer ersten Atomsorte 105 des ersten metallischen Leiterelements 101 und einer zweiten Atomsorte 205 des zweiten metallischen Leiterelements 201 entsteht ein Übergangsbereich, in welchem gemäß dem Seebeck-Effekt Thermospannungen, welche von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle abhängig sind, gebildet werden.
Eine Variation der Temperatur der Messstelle muss nun auf einen kleinen Übergangsbereich, d. h. auf die Mischschicht an der Kontaktstelle 301, übertragen werden, derart, dass Temperaturänderungen infolge einer äußerst geringen Wärmekapazität schnell auf die Mischschicht aus Atomen der ersten Atomsorte 101 und Atomen der zweiten Atomsorte 201 übertragen werden.
Die Mischschicht 301, die somit zwischen der ersten Kontaktierungsstirnfläche 102 und der zweiten Kontaktierungsstirnfläche 202 ausgebildet ist, weist somit eine äußerst geringe Querschnittsfläche auf.
Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel, welches mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, weist die Mischschicht einen Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 10 μm (Mikrometer) bis 100 μm auf, in typischer Weise weist sie einen Durchmesser von ungefähr 26 μm auf. Die lokale Kontaktstelle 301 weist somit einen Flächeninhalt in einem Bereich von ungefähr 0,08 mm² bis 0,15 mm², und typischerweise von ungefähr 0,12 mm² auf.
Gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel sind an der lokalen Kontaktstelle 301 zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und dem zweiten metallischen Leiterelement 201 jeweils Atome aus einer Oberflächen-Monolage in Verbindung stehend. Ein Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche 102 des ersten metallischen Leiterelements 101 mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche 202 des zweiten metallischen Kontaktierungselements 201 wird mittels eines Stromflusses über die Kontaktstelle 301 durchgeführt.
Hierbei werden gemäß einer weiteren Ausführungsform bei einem derartigen Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche 102 mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche 202 elektrische Nadelimpulse mit einer Zeitdauer in einem Bereich von 20 ns (Nanosekunden) bis 100 ms (Millisekunden) eingesetzt, typischerweise beträgt die Zeitdauer der Nadelimpulse des elektrischen Stroms, der für das Verschweißen eingesetzt wird, 100 ns.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das mit weiteren Ausführungsbeispielen, welche hierin beschrieben sind, kombiniert werden kann, wird der Schritt eines Verschweißens der ersten Kontaktierungsstirnfläche 102 mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche 202 in einem Unterdruckbereich durchgeführt.
6 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines ersten metallischen Leiterelements, welches einen ersten Leiterquerschnitt aufweist, mit mindestens einem zweiten metallischen Leiterelement, welches einen zweiten Leiterquerschnitt aufweist, veranschaulicht.
Das Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel schließt Schritte S1 bis S5 ein. In einem Schritt S1 wird das Verfahren gestartet, woraufhin in einem Schritt S2 eine erste Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche eines ersten metallischen Leiterelements bereitgestellt wird.
Ferner wird in einem nachfolgendem Schritt S3 eine zweite Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche eines zweiten metallischen Leiterelements bereitgestellt. Die ersten und zweiten Flächen werden zueinander justiert und anschließend verschweißt (Schritt S4). Die Justage der ersten Kontaktierungsstirnfläche in Bezug auf die zweite Kontaktierungsstirnfläche kann hierbei mittels eines Mikroskops erfolgen.
Schließlich wird in dem Schritt S4 ein Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche an mindestens einer lokalen Kontaktstelle durchgeführt. Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel wird eines der ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 fixiert, während das andere metallische Leiterelement mittels eines elektromagnetischen Aktors in axialer Richtung bewegt werden kann. Die Stirnflächen der ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 stossen an den Kontaktierungsstirnflächen aneinander und werden durch einen dosiert zugeführten Strom, welcher über die Kontaktierungsstirnflächen fließt, miteinander plan verschweißt. Die lokale Kontaktstelle weist einen Flächeninhalt auf, welcher gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten oder zweiten Leitungsquerschnitte ist. Das Verfahren wird in einem Schritt S5 beendet.
7 ist eine Seiten-Querschnittsansicht einer Testeinrichtung 400 zum Testen einer Temperaturmessvorrichtung 100 gemäß einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen. Zum Testen der Temperaturmessvorrichtung 100 dient ein Gasgemisch 404, welches in der gezeigten Richtung eines Pfeils D in einem Messrohr 403 nach rechts (7) beschleunigt wird. Die Zündung des Gasgemisches 404 erfolgt mittels einer Zündkerze 412, wobei hohe Längsgeschwindigkeiten der Gasmischung in dem Messrohr 403 erzielt werden.
Das Messrohr 403 weist typischerweise eine Länge von 20 m auf, wobei stromaufwärts und stromabwärts des Messrohres jeweils ein Lichtsensor 408 angeordnet ist. Der stromaufwärts der Temperaturmessvorrichtung 100 angeordnete Lichtsensor 408 liefert ein erstes Detektorausgangssignal 409, während der stromabwärts der Temperaturmessvorrichtung 100 angeordnete Lichtsensor 408 ein zweites Detektorausgangssignal 410 liefert. Die Detektorausgangssignale 409, 410 ermöglichen mit Hilfe des Abstands der beiden Lichtsensoren 408 in der Messrohr-Längsachse eine Bestimmung der Geschwindigkeit des sich ausbreitenden, gezündeten Gasgemischs 404 entlang der Längsachse des Messrohrs 403.
Ein Hilfstemperatursensor 411 ist stromabwärts des Lichtsensors (Detektors) 408 zur Referenzmessung angeordnet. Über die gemessene Gasgeschwindigkeit des gezündeten Gasgemisches 404 lässt sich nunmehr das dynamische Verhalten der Temperaturmessvorrichtung 100 in der Testeinrichtung 400 ermitteln.
8 zeigt das Messrohr 403 in einer Querschnittsansicht, wobei eine Messstelle zur Erfassung des Gasgemisches 404 durch eine Laserstreueinrichtung gebildet ist. Zu diesem Zweck ist eine als Laser ausgebildete Lichtquelle 401 bereitgestellt, welche über eine Sendeoptik 402 Laserlicht in das Innere des Messrohrs 403 fokussiert. Ein an dem vorbeiziehenden Gasgemisch 404 gestreutes Licht 406 wird über eine Empfangsoptik 407 auf einen Detektor 408 abgebildet.
Eine derartige Messeinrichtung kann entlang der Längsachse des Messrohrs 403 mehrfach angeordnet sein, derart, dass eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des gezündeten Gasgemischs 404 entlang der Messrohr-Längsachse ermöglicht wird. Somit ergeben sich ja nach Position der Testeinrichtung 400 unterschiedliche Ausgangssignale, d. h. ein erstes Detektorausgangssignal 409 und ein zweites, verzögertes Detektorausgangssignal 410, welche anschließend in Bezug auf die Längsgeschwindigkeit in dem Messrohr 403 ausgewertet werden.
9 zeigt eine Signalverarbeitungseinrichtung 500 zur Auswertung einer Zeitdifferenz zwischen dem ersten Detektorausgangssignal 409 (siehe 8) und dem zweiten Detektorausgangssignal 410 (siehe 8). Das erste Detektorausgangssignal 409 wird einem ersten Komparator 501 zugeführt, während das zweite Detektorausgangssignal 410 einem zweiten Komparator 502 zugeführt wird. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die in Kreisen eingepassten Bezugszeichen in 9 Signalen entsprechen, die in dem Ablaufdiagramm der 9 dargestellt sind.
Somit dienen die ersten und zweiten Komparatoren 501, 502 dazu, die ersten und zweiten Detektorausgangssignale 409, 410 in digital weiterverarbeitbare Signale umzusetzen. Eine an den ersten und zweiten Komparator 501, 502 angeschlossene logische Verknüpfungseinheit 503 verknüpft die Ausgangssignale der ersten und zweiten Komparatoren 501, 502 derart, dass immer dann, wenn sich der logische Ausgangspegel der Komparator-Ausgangssignale der einzelnen Komparatoren voneinander unterscheidet, ein Pulssignal gemäß dem Ablaufdiagramm ➄ ergibt.
Das Signal ➄ wird schließlich einer Pulseliminationseinheit 504 zugeführt, welches einen der beiden entstehenden Pulse eliminiert. Der verbleibende Puls wird einem Invertierer 505 und anschließend einer Gattereinheit 506 zugeführt, welche entsprechend der Pulsdauer des verbleibenden, aus der Pulseliminationseinheit 504 ausgegebenen Pulses ein hochfrequentes Signal mit dem Puls verknüpft, derart, dass hochfrequente Pulse während einer Gatterzeit zu einem Ausgabe-Invertierer 507 gelangen.
Ein Ausgabesignal des Ausgabe-Invertierers bildet schließlich ein Zeitdifferenzsignal 508, welches eine Zeitdifferenz zwischen dem ersten Detektorausgangssignal 409 und dem zweiten Detektorausgangssignal 410 und somit über einen bekannten Abstand zwischen den beiden Detektoren (Lichtsensoren) 408 (siehe 7) eine Geschwindigkeit des gezündeten, sich ausbreitenden Gasgemisches 404 widerspiegelt. Mit einer auf diese Weise ermittelten Gasgeschwindigkeit lässt sich nunmehr die Ansprechgeschwindigkeit der Temperaturmessvorrichtung 100 gemäß mindestens einem der oben aufgeführten Ausführungsbeispiele ermitteln.
10 zeigt ein Temperaturmessdiagramm 600, bei welchem ein Temperaturverlauf 603 dargestellt ist. Eine Temperatur 602 ist als eine Funktion einer Zeit 601 dargestellt, wobei die Zeit zwischen 0,3 und 0,5 s läuft, während ein Temperaturbereich von etwa 25°C bis 200°C dargestellt ist. Wie aus dem in 10 gezeigten Graphen eindeutig zu erkennen ist, beträgt eine typische Anstiegszeit (90%-Anstieg) ca. 10 ms (Millisekunden). Eine hohe Messgeschwindigkeit wird somit erreicht, wobei die Temperaturmessvorrichtung 100 auch für sich sehr schnell ausbreitende, gasförmige Medien eingesetzt werden kann.
Die Temperaturmessvorrichtung 100 gemäß mindestens einem der oben genannten Ausführungsbeispiele wird vorteilhaft eingesetzt zur Messung eines zeitlichen Temperaturverlaufs in einer Explosionsfront in einem gezündeten Gasgemisch.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.

Claims

Temperaturmessvorrichtung (100), umfassend: ein erstes metallisches Leiterelement (101) mit einem ersten Leiterquerschnitt (103) und einer ersten Leiterlängsachse (104), welches eine erste Kontaktierungsstirnfläche (102) als eine Endfläche senkrecht zu der ersten Leiterlängsachse (104) aufweist; mindestens ein zweites metallisches Leiterelement (201) mit einem zweiten Leiterquerschnitt (203) und einer zweiten Leiterlängsachse (204), welches eine zweite Kontaktierungsstirnfläche (202) als eine Endfläche senkrecht zu der zweiten Leiterlängsachse (204) aufweist, wobei die zweite Kontaktierungsstirnfläche (202) mit der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) an mindestens einer lokalen Kontaktstelle (301) elektrisch verbunden ist, wobei das erste metallische Leiterelement (101) und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement (201) aus unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle (301) einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte (103; 203) ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement (201) verbundene Bestimmungseinrichtung (300), die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der Kontaktstelle (301) auf der Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement (201).
Temperaturmessvorrichtung (100), umfassend: ein erstes metallisches Leiterelement (101) mit einem ersten Leiterquerschnitt (103) und einer ersten Leiterlängsachse (104); mindestens ein zweites metallisches Leiterelement (201) mit einem zweiten Leiterquerschnitt (203) und einer zweiten Leiterlängsachse (204), wobei das erste metallische Leiterelement und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement an mindestens einer lokalen Kontaktstelle (301) elektrisch derart miteinander verbunden sind, dass die erste Leiterlängsachse und die zweite Leiterlängsachse im Bereich der lokalen Kontaktstelle koaxial verlaufen, wobei das erste metallische Leiterelement (101) und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement (201) aus unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle (301) einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte (103; 203) ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement (201) verbundene Bestimmungseinrichtung (300), die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der Kontaktstelle (301) auf der Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement (201).
Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen den ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen eine Mischschicht ausgebildet ist.
Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der voranstehenden Ansprüche, wobei an der lokalen Kontaktstelle zwischen dem ersten metallischen Leiterelement und dem zweiten metallischen Leiterelement jeweils Atome aus einer Oberflächen-Monolage in Verbindung stehen.
Verfahren zum elektrischen Verbinden eines ersten metallischen Leiterelements (101), welches einen ersten Leiterquerschnitt (103) aufweist, mit mindestens einem zweiten metallischen Leiterelement (201), welches einen zweiten Leiterquerschnitt (203) aufweist, mit den Schritten: Bereitstellen einer ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) als eine Endfläche des ersten metallischen Leiterelements (101); Bereitstellen einer zweiten Kontaktierungsstirnfläche (202) als eine Endfläche des zweiten metallischen Leiterelements (201); und Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche (202) an mindestens einer lokalen Kontaktstelle (301), welche einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner ist als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte (103; 203).
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste Kontaktierungsstirnfläche (102) und/oder die zweite Kontaktierungsstirnfläche (202) vor dem Schritt eines Verschweißens mittels Schleifen planarisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein Verschweißen in Richtung der Leiterlängsachsen durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Schritt eines Verschweißens der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche (202) mittels eines Stromdurchflusses über die Kontaktstelle durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt eines Verschweißens der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche (202) mittels elektrischer Nadelimpulse mit einer Pulsdauer in einem Bereich von etwa 20 ns bis 100 ms, typischerweise bei etwa 100 ns durchgeführt wird.
Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei der Schritt eines Verschweißens der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche (202) in einem Unterdruckbereich durchgeführt wird.