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Widerstands anordnung mit veränderbarem Widerstand Die Erfindung betrifft
eine Widerstands anordnung mit veränderbarem Widerstand, insbesondere für Thermostaten,
Druckmesser od. dgl., bestehend aus einem isolierenden, hochtemperaturbeständigen
Kapillarrohr mit auf dessen Innenwand als Überzug aufgebrachter Widerstandsschicht,
einer diese Schicht teilweise kurzschließenden Flüssigkeitssäule und Stromzuführungen.
Der Pegel der Flüssigkeitssäule im Kapillarrohr ändert sich bei der Veränderung
eines physikalischen Zustandes, beispielsweise eines Druckes, einer Temperatur oder
einer Beschleunigung.
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Derartige Vorrichtungen werden als Beschleunigungsmesser, Druckmesser,
Thermostaten und für zahlreiche andere Zwecke verwendet. Als Ausführungsbeispiel
ist die Vorrichtung als gebräuchlicher und verhältnismäßig kleiner Thermostat dargestellt.
Ein in Betracht gezogener Verwendungszweck der dargestellten Vorrichtung ist die
Zuordnung zu einer Regel- oder Steuervorrichtung zum Verändern der Zufuhr von erhitzter
oder nichterhitzter Luft in einen abgeschlossenen Raum.
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Es ist bereits bekannt, hohle Isolierelemente mit elektrischen Widerstandselementen
zu versehen, von denen Teile durch eine elektrisch leitende Flüssigkeit kurzgeschlossen
werden. Ein solches bekanntes Element enthielt einen in der Mitte eines hohlen keramischen
Körpers angeordneten feinen Widerstandsdraht, in welchem Körper der Draht durch
eine Quecksilbersäule kurzgeschlossen werden kann. Es ist ferner bekannt, ein Kapillarrohr
mit einem inneren Metallüberzug aus Platin, Silber oder Zinn vorzusehen, der mit
einer elektrisch leitenden Flüssig keit in Berührung steht.
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Es sind ferner Vorrichtungen bekannt, bei denen ein auf die Bohrung
eines Kapillarrohres aufgetragener Überzug eines Widerstandsmaterials verwendet
wird und die die Verwendung eines nichtmetallischen Materials mit einem hohen elektrischen
Widerstand sowie die Verwendung eines Überzuges aus einem Metalloxyd umfassen. Die
Verwendung dieser bekannten Widerstandselemente bei einer Vorrichtung mit einer
Flüssigkeitssäule, die hochempfindlich für Veränderungen eines physikalischen Zustandes
und ferner imstande sein soll, beträchtlichen Temperaturschwankungen und körperlichen
Stößen oder Vibrationen zu widerstehen, brachte viele Aufgaben mit sich.
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Um beispielsweise Vorrichtungen dieser allgemeinen Art für Temperaturveränderungen
empfindlich zu machen, ist es erwünscht, den Durchmesser der Bohrung des Kapillarrohres
zu verringern. Dabei
führen verringerte, verhältnismäßig kleine Veränderungen des
Gesamtvolumens der enthaltenen Flüssigkeit, Quecksilber oder eine Quecksilber-Thallium-Legierung,
zu beträchtlichen Veränderungen der Säulenhöhe. Die Bohrungsdurchmesser wurden ferner
auch für den Zweck reduziert, um die Wahrscheinlichkeit zu verringern, daß sich
die Flüssigkeitssäule trennt oder »aufspaltet«, wenn die Vorrichtung einen körperlichen
Stoß oder eine Erschütterung erleidet. In dieser Hinsicht hat sich gezeigt, daß
Flüssigkeitssäulen in Bohrungen mit einem Durchmesser von 0,127 bis 0,3-mm dem Aufspalten
unter allen Umständen bei Stößen und Erschütterungen, denen die Vorrichtung unterliegt,
widerstehen.
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Die Verwendung einiger der bekannten Widerstandsschichten bei Bohrungen
derart begrenzter Größe engt die Bohrung so ein, daß die Vorrichtung nicht arbeitet.
Ein Ausfallen tritt bei Vorrichtungen, bei denen andere bekannte Widerstandselemente
benutzt werden, ein, wenn die Vorrichtung extremen Temperaturschwankungen oder einem
thermischen Stoß ausgesetzt wird. Das Ausfallen rührt in diesem Falle aus den unterschiedlichen
Expansionskoeffizienten des Widerstandselementes und des Kapillarrohres her, auf
dem es aufgetragen ist, und ist Sprüngen zuzuschreiben, die im Widerstandselement
unter diesen Bedingungen entstehen und die in äußersten Fällen bewirken können,
daß sich das Widerstandselement von der Wandung der Bohrung löst, zerkrümelt
und
herunterfällt. Ein körperlicher Stoß kann Ausfälle der gleichen oder ähnlichen Art
verursachen. Das Ergebnis ist eine Unterbrechung des das Widerstandselement umfassenden
elektrischen Kreises.
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Die Erfindung bedeutet eine Verbesserung der bisher bekannten Vorrichtungen
insofern als ein chemisch niedergeschlagener Überzug als Widerstandselement vorgesehen
ist, der kräftig und dicht ist, an dem den Überzug tragenden Glaskapillarrohr gut
haftet, einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, der dem das Glases des Kapillarrohres
entspricht, und nach dem Auftragen eine Dicke besitzt, die 0,0005 mm nicht übersteigt.
Der Überzug ist bei Anwesenheit der Flüssigkeitssäule und des im Kapillarrohr gleichfalls
enthaltenen inerten Druckgases chemisch stabil, welches die obenerwähnte Aufspaltung
der Flüssigkeitssäule verhindert. Ein weiterer Vorteil des Überzugs besteht darin,
daß dessen Stärke und damit der ohmsche Widerstand pro Längeneinheit bei der Herstellung
verändert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist ferner, daß der Ausdehnungskoeffizient
des Überzuges in gewissen angemessenen Grenzen so verändert werden kann, daß er
dem Ausdehnungskoeffizienten des Kapillarrohres entspricht. Diese Vorteile werden
dadurch erreicht, daß gemäß der Erfindung der Überzug aus einer festen Lösung eines
Metallkarbids in dem betreffenden Metall besteht, deren Wärmeausdehnungskoeffizient
mit demjenigen des Kapillarrohres übereinstimmt. Das gewünschte Resultat wird dadurch
ereicht, daß die verwendeten Metalle einen niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten
aufweisen als Glas, während das Metallkarbid einen höheren Ausdehnungskoeffizienten
als Glas besitzt. Eine Feststofflösung der beiden Bestandteile kann so eingestellt
werden, daß ihre thermische Expansion zu der besonderen Zusammensetzung des Glases,
mit dem sie verbunden wird, paßt. Zum Nachweis der erzielten Wirkung wurde das überzogene
Kapillarrohr abwechselnd Temperaturen von 73O C bis + 1900 C ausgesetzt, ohne daß
sich Anzeichen dafür zeigten, daß der Überzug sprang oder sich von der Rohrwand
löste.
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Die verbesserte Vorrichtung besitzt genügend Stromführungskapazität,
so daß sie direkt in eine geeignete Anlage eingebaut werden kann, wobei die Notwendigkeit
fortfällt, Relais oder elektrische Verstärkereinrichtungen zum Verstärken des Signals
vorsehen zu müssen.
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In der Zeichnung ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
dargestellt, die bei einem Thermostaten mit Flüssigkeitssäule Verwendung finden
kann.
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Fig. 1 ist eine Ansicht, zum Teil im Schnitt; Fig. 2 ist ein vergrößerter
Teil eines Längsschnittes durch die in der Fig. 1 dargestellte Vorrichtung, während
Fig. 3 ein Schnitt im wesentlichen längs der Linie 3-3 in der Fig. 2 ist.
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Der in der Zeichnung dargestellte Thermostat mit veränderlichem Widerstand
ist so konstruiert, daß er auf Temperaturänderungen anspricht. Dies soll jedoch
nur ein Beispiel darstellen, da die Prinzipien der Erfindung auch bei anderen ähnlichen,
auf die Trägheit oder den Druck ansprechenden Vorrichtungen Anwendung finden können.
Die Vorrichtung umfaßt ein Kapillarrohr 10 mit einer in der Mitte liegen-
den Kapillarbohrung
11. Die Bohrung ist bei 12 am oberen Ende hermetisch verschlossen und steht am unteren
Ende mit einer inneren Kammer 13 eines Vorratsbehälters 14 in Verbindung. Das Rohr
und der Behälter werden vorzugsweise aus einer Glassorte hergestellt, deren Eigenschaften
so gewählt sind, daß den an die Vorrichtung zu stellenden thermischen Anforderungen
genügt werden kann.
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Die Kammer 13 ist mit einer elektrisch leitenden Flüssigkeit 15,
beispielsweise Quecksilber oder eine Quecksilber-Thallium-Legierung gefüllt, welche
Flüssigkeit sich von der Kammer aus in die Bohrung 11 des Kapillarrohres hinein
erstreckt. Die Höhe des Quecksilberspiegels im Rohr hängt von dem Grad der Ausdehnung
des gesamten Quecksilbervolumens ab. Der obere Teil des Rohres ist mit einem inerten
Gas, wie Argon, unter Druck gesetzt.
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Die innere zylindrische Fläche eines begrenzten Teiles der Bohrung
11 ist mit einem elektrisch leitenden Überzug 16 bedeckt. Der Überzug kann auf die
Wandung der Bohrung chemisch niedergeschlagen werden und besteht aus einer Feststofflösung
eines Metallkarbids in dem betreffenden Metall, wobei die Anteile so bemessen sind,
daß der Ausdehnungskoeffizient dem des Glases des Rohres entspricht.
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Dabei bildet der Überzug über den zu erwartenden Bewegungsbereich
der Quercksilbersäule in der Bohrung des Kapillarrohres eine innere leitende Auskleidung.
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Zu bevorzugende feste Lösungen von Metallkarbiden in Metallen zum
Überziehen der Bohrung bestehen aus Lösungen von Wolframkarbid in Wolfram und Molybdänkarbid
in Molybdän. Diese bevorzugten Stoffe besitzen in fester Lösung die erwünschten
thermischen Eigenschaften, sind bei Anwesenheit von Quecksilber oder einer Quecksilber-Thallium-Legierung
und einem inerten Druckgas chemisch stabil und besitzen genügend Stromführungskapazität.
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Außerdem können sie verhältnismäßig leicht an vorherbestimmten Teilen
der Bohrung chemisch niedergeschlagen werden.
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Die beiden dargestellten Zuleitungsdrähte 17 und 18 stellen einen
elektrischen Kontakt mit dem oberen und dem unteren Teil des elektrisch leitenden
hub er zugs 16 her. Es können jedoch auch noch weitere Drähte vorgesehen werden,
wenn beispielsweise gewünscht wird, den Widerstand für mehr als eine Belastung zu
ändern, oder wenn die Vorrichtung anderen Zwecken dienen soll. Zum Herstellen der
elektrischen Verbindung zwischen den Zuleitungsdrähten und dem Überzug können verschiedene
Mittel verwendet werden. Bei der dargestellten Ausführungsform besitzt der Überzug
16 am oberen Teil einen körperlichen und elektrischen Kontakt mit einem querliegenden
metallischen Leiterl9, der in das Glasmaterial des Rohres eingebettet ist und durch
dieses im wesentlichen tangential zur Bohrung 11 hindurchläuft. Die Mittelbezirke
des Leiters 19 liegen bei 20 am Überzug an und stellen die elektrische Verbindung
her. Die Enden des Leiters 19 besitzen einen elektrischen Kontakt mit einem das
Rohr 10 umgebenden Anschluß- oder Befestigungsring 21. Der Anschlußring kann am
Leiter 19 durch Anlöten befestigt werden. Der Zuleitungsdraht 17 kann am Ring 21
angelötet werden, wobei die obere Verbindung zum Überzug vollständig hergestellt
ist.
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Die untere Anschlußverbindung ist die gleiche wie die obere, und
es wird für die Zwecke der Beschreibung
für ausreichend gehalten,
den Leiter und den Ring, die zum Herstellen der elektrischen Verbindung dienen,
mit den Bezugszeichen 22 bzw. 23 zu versehen.
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Für den vorliegenden Thermostaten mit veränderlichem Widerstand ist
keine elektrische Schaltung dargestellt; es ist jedoch offenbar, daß bei einem Anschluß
der Zuführungsdrähte 17 und 18 an einen elektrischen Stromkreis der gesamte ohmsche
Widerstand des Kreises den zwischen den Anschlußringen 21 und 23 vorhandenen Widerstandswert
umfaßt.
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Ist die den Behälter 14 umgebende Außentemperatur derart, daß die
Quecksilbersäule infolge der thermischen Ausdehnung des Quecksilbers den Überzug
16 am unteren Zuführungsdraht 18 oder unterhalb davon berührt, so ist in den elektrischen
Stromkreis der volle Widerstandswert des Überzugs 16 zwischen den Anschlußdrähten
eingeschaltet.
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Steigt die Außentemperatur an, so wird durch die Ausdehnung und das
damit verbundene Ansteigen der Quecksilbersäule ein Teil des ohmschen Widerstandes
des Überzugs 16 ausgeschaltet, so daß der Gesamtwiderstand des elektrischen Stromkreises
herabgesetzt wird. Erreicht schließlich die Quecksilbersäule das Niveau des oberen
Anschlußdrahtes 17, so besteht der einzige elektrische Widerstand zwischen den beiden
Anschlußringen 21 und 23 aus dem ohmschen Widerstand der Quecksilbersäule selbst.
Dieser Wert ist so gering, daß er praktisch vernachlässigt werden kann, und die
beiden Anschlüsse können als elektrisch kurzgeschlossen angesehen werden. Bei diesem
Stand der Quecksilbersäule erreicht der elektrische Stromkreis seinen kleinsten
ohmschen Widerstandswert bei stärkstem Stromfluß.
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Die Erfindung darf nicht auf thermostatische Verwendungsgebiete und
auch nicht auf die genaue Anordnung von in der Zeichnung dargestellten oder beschriebenen
Teilen beschränkt werden, da ohne Abweichung vom Erfindungsgedanken zahlreiche Änderungen
an Einzelheiten der Konstruktion vorgenommen werden können. Beispielsweise ist die
Anzahl der dargestellten Zuführungsdrähte (17 und 18) lediglich ein Beispiel wie
auch das dargestellte Mittel zum elektrischen Verbinden der Zuführungsdrähte mit
dem Überzug 16.