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Als Kabel ausgebildete Temperaturmeßanordnung Die Erfindung bezieht
sich auf eine als Kabel ausgebildete Temperaturmeßanordnung mit voneinander getrennt
angeordneten elektrischen Leitern und einer aus Glas mit Einlagerungen aus temperaturempfindlichem
Widerstandsmaterial bestehenden Masse, die sich zwischen diesen beiden Leitern erstreckt
und deren Bestandteile bei normalen Temperaturen praktisch elektrisch nicht leiten.
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Bekannt sind Temperaturfühler, mit zwei mit Abstand voneinander angeordneten
elektrischen Leitern, deren Zwischenraum ein wärmeempfindliches, bei hoher Temperatur
erweichendes Material von mit steigender Temperatur sinkendem elektrischem Widerstand
und außerdem feuerfestes Material enthält. Als wärmeempfindliches Material wird
vorzugsweise Glas verwendet, wohingegen nach einer bekannten Ausführungsform das
feuerfeste Material in Form von kontinuierlich über die Länge des Temperaturfühlers
verteilten feinen Teilchen in dem wärmeempfindlichen Material eingebettet ist.
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Von Temperaturfühlern für Flugzeuge wird gefordert, daß sie Temperaturen
von über 1000°C einige Minuten lang aushalten und danach noch einwandfrei arbeiten.
Bei derartigen Temperaturen wird das Glas schon verhältnismäßig weich, und es besteht
die Gefahr, daß die beiden Leiter miteinander in Berührung treten und der Fühler
seinen Zweck verfehlt. Um einen Kontakt zwischen den beiden Leitern zu verhindern
oder zumindest die Möglichkeit, daß dies geschieht, einzuschränken, sind bei diesem
bekannten Gerät Tonerdeteilchen u. dgl. in dem Zwischenraum zwischen den beiden
Leitern vorgesehen.
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Es ist bei Meßanordnungen mit voneinander getrennt angeordneten elektrischen
Leitern bereits bekannt, zwischen diese Leiter eine Masse aus Glas mit Einlagerungen
aus temperaturempfindlichem Widerstandsmaterial anzuordnen. Dabei dient das temperaturempfindliche
Widerstandsmaterial zur Erzielung einer gewünschten Temperaturwiderstandscharakteristik.
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Es ist ferner bekannt, daß die elektrische Leitfähigkeit von Glas
mit steigender Temperatur stetig zunimmt. Außerdem ist die Tatsache nicht mehr neu,
daß die elektrische Leitfähigkeit gewisser Salze bei Überschreiten einer ganz bestimmten
Temperaturschwelle sprunghaft ansteigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine als Kabel ausgebildete Temperaturmeß-
bzw. Anzeigeanordnung zu schaffen, welche über den Umfang der örtlichen Ausdehnung
des Wärmeeinflusses Aufschluß gibt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
daß die Einlagerungen chemische Salze sind, deren elektrische Leitfähigkeit bei
einer ganz bestimmten Übertemperatur plötzlich ansteigt. Zweckmäßig sind diese Salze
chemische Salze von Metallen. Das Glas und das Salz sind derart gewählt, daß die
elektrische Leitfähigkeit des Glases mit steigender Temperatur so verläuft, daß
das Glas bei Erhitzung einer wesentlichen Länge des Meßkabels bei einer niedrigeren
Temperatur leitend wird als bei derjenigen Temperatur, bei welcher das Salz leitend
wird.
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Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes
sind bei einer Anordnung mit einer elektrischen Stromquelle und mit auf Strom ansprechenden
Anzeigemitteln zwischen den beiden Leitern die Anzeigemittel als zwei getrennte,
auf Strom ansprechende Anzeigegeräte ausgebildet, wobei das eine Anzeigegerät anspricht,
wenn eine wesentliche Länge des Meßkabels infolge der zunehmenden Leitfähigkeit
des Glases auf eine ganz bestimmte Temperatur gebracht wird, wohingegen das andere
Anzeigegerät anspricht, wenn lediglich eine geringe Länge des Meßkabels infolge
des plötzlichen Anstieges der Leitfähigkeit des Salzes auf eine höhere Temperatur
gebracht wird.
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Die erfindungsgemäße Temperaturmeß- bzw. Anzeigeanordnung eignet sich
namentlich als überwachungsgerät von Flugzeugtriebwerken, obgleich die Erfindung
auf dieses Spezialgebiet keineswegs beschränkt sein soll. Wenn die Gesamtlänge der
kabelförmigen Temperaturmeßanordnung gemäß der Erfindung einer ganz bestimmten Temperatur
ausgesetzt
ist, wird infolge der zunehmenden Leitfähigkeit von Glas
bei einer bestimmten Temperatur eine Alarmvorrichtung ausgelöst. Andererseits löst
eine nur lokale Erwärmung der kabelförmigen Temperaturmeßanordnung bei Erreichen
einer bestimmten Temperaturschwelle eine zweite Alarmvorrichtung aus, und zwar auf
Grund des abrupten Anstieges der elektrischen Leitfähigkeit des Salzes. Liegt die
lokale Erhitzung unter dieser bestimmten Temperaturschwelle, dann spricht keine
der beiden Alarmvorrichtungen an. Um nämlich die erste Alarmvorrichtung zur Auslösung
zu bringen, muß eine ganz bestimmte Länge des Meßkabels auf eine bestimmte Temperatur
gebracht werden.
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Auf ein Flugzeugtriebwerk angewandt, wird die erste Alarmeinrichtung
ausgelöst, wenn das gesamte Triebwerk brennt, wohingegen das zweite Warngerät in
Tätigkeit gesetzt wird, wenn lediglich eine örtliche Hitzeeinwirkung eintritt, z.
B. wenn die Verbrennungskammer an einer Stelle undicht wird. Für den Flugzeugführer
bedeutet es einen erheblichen Vorteil zu wissen, ob es sich um eine allgemeine oder
aber lediglich um eine lokale überhitzung handelt.
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Die Erfindung ist an einem Ausführungsbeispiel an Hand der Zeichnung
noch etwas ausführlicher erläutert. In dieser zeigt in rein schematischer Weise
Fig. 1 eine Seitenansicht der vollständigen Temperaturmeßanordnung gemäß der Erfindung,
Fig. 2 einen senkrechten Schnitt längs der Linie H-II in Fig. 1, wobei lediglich
ein Teil der Meßanordnung in vergrößertem Maßstab dargestellt ist, Fig. 3 ein Schaltschema
einer praktischen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Meßanordnung. Die in der
Zeichnung dargestellte Temperaturmeßanordnung besteht aus einer länglichen Mittelhülse
10 kreisförmigen Querschnittes (Fig.2), welche einen hierzu koaxial liegenden Leiter
11 aufnimmt. Die Anordnung zeigt in der Mitte einen schlingenförmigen Teil, welcher
aus Gründen der Flexibilität unbedingt erforderlich ist. An jedem Ende sind die
koaxial angeordneten inneren und äußeren Leiter 10, 11 mit einem Mittelstift 12
a bzw. einer äußeren Büchse 12 b des koaxial angeordneten elektrischen Steckers
verbunden.
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Der Raum zwischen dem inneren Leiter 11 und der äußeren Hülse 10 ist
mit einer Mischung 13 gefüllt, welche aus Glas und chemischen Salzen besteht. Das
Glas kann in pulverform beigemischt oder aber mit dem beigefügten Salz geschmolzen
werden.
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Glas hat einen elektrischen Widerstand, welcher mit steigender Temperatur
in gleichförmiger Weise geringer wird, während chemische Salze eine elektrische
Leitfähigkeit aufweisen, welche sich bei einer ganz bestimmten Temperatur in stärkerem
Maße unvermittelt ändert. Diese ganz bestimmte Temperatur hängt von der Kristallstruktur
des jeweiligen Salzes ab. Wenn also eine Quelle eines elektrischen Potentials über
die Leiter 10, 11 mit einem oder zwei elektrischen Steckern 12 verbunden wird, dann
hängt der durch diesen Stromkreis fließende Strom von der elektrischen Leitfähigkeit
der Mischung 13 und damit von derjenigen Temperatur ab, welcher die Anordnung ausgesetzt
ist. Das in der Mischung 13 enthaltene Glas hat zur Folge, daß bei steigender Temperatur
gleichzeitig auch eine allmähliche Erhöhung der Leitfähigkeit der Mischung eintritt,
derart, daß der in dem Stromkreis fließende Strom bei einer ganz bestimmten Temperatur
benutzt werden kann, eine entsprechende Anzeige- bzw. Warneinrichtung, beispielsweise
durch Steuerung eines elektromagnetischen Relais, zu betreiben. Hingegen wird bei
einer anderen Temperatur, welche von der Art des jeweiligen Salzes der Mischung
13 abhängt, eine abrupte Zunahme der Leitfähigkeit der Mischung 13 eintreten, wobei
der hieraus resultierende plötzliche Anstieg der Stromintensität verwendet werden
kann, eine weitere Anzeige bzw. Warnung beispielsweise durch Steuerung eines weiteren
elektromagnetischen Relais, welches einen weiteren Steuerstromkreis erfordert, zu
bewirken. Dieser plötzliche Anstieg der Leitfähigkeit erfolgt derart, daß die Erhöhung
des Stromflusses tatsächlich unabhängig von der Länge der Einrichtung ist, welche
der fraglichen Temperatur ausgesetzt wird. Das heißt mit anderen Worten, daß die
Anzeige bzw. Warnung bei einer ganz bestimmten Temperatur erfolgt, welche im wesentlichen
von der beheizten Länge der Anordnung unabhängig ist. Die vorerwähnte Veränderung
der Leitfähigkeit des Glases ist im Gegensatz hierzu so gering, daß der zwischen
den Leitern 10, 11 bei einer ganz bestimmten Temperatur fließende Strom von
der Länge der Meßanordnung abhängig ist, welches der fraglichen Temperatur ausgesetzt
ist. Das bedeutet, daß ein der Leitfähigkeit des Glases entsprechender, bestimmter
Stromfluß nicht allein von der Temperatur der Meßanordnung, sondern darüber hinaus
auch von der Länge desselben abhängt. So erreicht bei Beheizung einer kurzen Länge
des Anzeigegerätes der aus der Leitfähigkeit des Glases sich ergebende Stromfluß
einen ganz bestimmten Wert nur dann, wenn die Temperatur im wesentlichen höher als
im Falle einer größeren Länge des beheizten Anzeigegerätes ist.
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Es ist ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Temperaturmeßanordnung,
daß eine Anzeige bzw. eine Warnung sowohl bei einer ganz bestimmten Temperatur an
jeder Stelle des Anzeigegerätes als auch als Ergebnis der mittleren Temperatur,
welcher die Meßanordnung ausgesetzt ist, erfolgt. So kann die Mischung 13 in einem
konkreten praktischen Fall so wirksam sein, daß bei einer etwa 3,33 m langen Temperaturmeßanordnung,
welche einer Temperatur von 230° C ausgesetzt ist, die Leitfähigkeit des Glases
so groß sein kann, daß der hieraus sich ergebende Stromfluß eine in dem Stromkreis
befindliche Anzeigeeinrichtung bzw. Alarmvorrichtung betätigt, wohingegen bei einer
nur geringen Länge des Anzeigegerätes, welches jedoch einer etwas höheren Temperatur,
beispielsweise 300° C, ausgesetzt wird, eine Anzeige bzw. eine Warnung gleichfalls
auf Grund der Tatsache erfolgt, daß bei dieser Temperatur ein plötzlicher Wechsel
der Leitfähigkeit des Salzes eintritt. Diese plötzliche Änderung bewirkt, daß ein
ausreichender Stromfluß zur Betätigung der Anzeigeeinrichtung bzw. Alarmvorrichtung
erfolgen kann. Es muß betont werden, daß die Leitfähigkeit des Salzes bei einer
niedrigeren Temperatur von etwa 230' C an sich nicht ausreicht, um den erforderlichen
Strornfluß zu bewirken, welcher lediglich als Ergebnis der erhöhten Leitfähigkeit
des Glases erfolgt, wenn die gesamte Länge der Meßanordnung dieser Temperatur ausgesetzt
wird.
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Auf der anderen Seite ist die Leitfähigkeit des Glases selbst bei
höherer Temperatur von etwa 300° C nicht so weit angestiegen, daß ein ausreichender
Betriebsstrom bei einer Beheizung einer nur geringen Länge des Anzeigegerätes erzeugt
wird. Nach
Erreichen dieses ganz bestimmten Durchgangspunktes der
Leitfähigkeit des Salzes ist jedoch letztere so groß, daß lediglich eine sehr geringe
Länge des Anzeigegerätes bis zu dieser Temperatur erhitzt zu werden braucht, um
den erforderlichen Betriebsstrom zu erzeugen.
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Eine zweckmäßige Anwendung des erfindungsgemäßen Anzeigegerätes ergibt
sich im Flugzeugmotorenbau. Die Betriebstemperatur ist hierbei durch die maximal
zulässige Umgebungstemperatur in der Flugzeughalle bestimmt. Die Temperaturmeßanordnungen
werden dann so konstruiert und ausgelegt, daß sie bei Überschreiten dieser Umgebungstemperatur
eine Anzeige bzw. ein Alarmzeichen geben. Diese Anzeige bzw. dieses Alarmzeichen
ist darauf zurückzuführen, daß die gesamte oder aber zumindest wesentliche Länge
der Anordnung einer Temperatur ausgesetzt wird, welche über der maximal zulässigen
Umgebungstemperatur liegt. Dies ergibt sich aus der Zunahme der Leitfähigkeit des
Glases. Auf der anderen Seite wird bei einer örtlichen Überhitzung als Folge einer
Explosion bzw. beim Anlassen eines Düsentriebwerkes, welche sich auf die Umgebungstemperatur
notwendig auswirken, ein Anzeige- bzw. ein Alarmzeichen gegeben werden. Diese Anzeige
bzw. dieses Alarmzeichen ist auf die Leitfähigkeit des in dem kurzen Teil der Anordnung
befindlichen Salzes zurückzuführen, wobei die Anordnung dieser örtlichen Übertemperatur
ausgesetzt wird. Falls erforderlich, können die Anzeige bzw. das Alarmzeichen, welche
unter diesen gegebenen Voraussetzungen auf alle Fälle erfolgen, auf verschiedene
Weise getrennt voneinander gegeben werden. Dies ist dadurch möglich, daß getrennte,
auf Strom ansprechende Mittel, beispielsweise in Form von den bereits erwähnten
beiden Relais, in dem Stromkreis vorgesehen werden. Auf diese Weise ist es möglich
festzustellen, ob lediglich die Umgebungstemperatur als ganzes gestiegen oder aber
ein örtlicher Temperaturanstieg erfolgt ist.
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Ein derartiger Stromkreis ist in Fig. 3 der Zeichnung noch etwas eingehender
erläutert, wo zwei elektromagnetische Relais A/1 und B/2 parallel zueinander geschaltet
sind. Mit diesen Relais ist eine Spannungsquelle V 1 in Reihe geschaltet, derart,
daß der Strom die Hülse 10 sowie den inneren Leiter 11 durchfließt. Das Relais B/2
erfordert einen höheren Betriebsstrom als das Relais A/1. Wenn ein wesentlicher
Teil der Länge der Meßanordnung erhitzt wird, bewirkt der auf die Leitfähigkeit
des Glases zurückzuführende Strom eine Steuerung des Relais A/1 und schließt hierdurch
den Kontakt A 1 derart, daß die Lampe L.4 aufleuchtet. Auf diese Weise wird die
erforderliche Anzeige getätigt, welche auf Grund des von der Stromquelle V 2 herrührenden
Stromes erfolgt. Wenn ein geringerer Teil der Länge der Meßanordnung einer höheren
Temperatur ausgesetzt wird, bewirkt der aus der Leitfähigkeit des Salzes sich ergebende
große Strom eine Steuerung des Relais B/2, welches den Kontakt
B 1 schließt, derart, daß die Lampe L8 aufleuchtet und dadurch der Alternativbetrieb
erfolgt. Dabei wird der Kontakt B 2 geöffnet, so daß die Lampe L,4 nicht aufleuchtet.
Falls lediglich eine einzige Lampe aufleuchten soll, und zwar unabhängig davon,
ob die Leitfähigkeit auf das Glas oder aber auf das Salz als solches zurückzuführen
ist, dann brauchen lediglich ein einziges Relais und eine einzige Lampe angeordnet
zu werden. In diesem Falle ist es aber auch möglich, daß eine Lampe von dem zwischen
den beiden Leitern fließenden Strom direkt in Tätigkeit gesetzt wird.
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Im Rahmen des Erfindungsgedankens können selbstverständlich verschiedene
Glassorten verwendet werden. Es ist gefunden worden, daß sich hierfür jedes, besonders
aber ein Soda-Kalkglas, eignet. Auch Borsilikat- bzw. Aluminium-Silikat-Glas ist
hierfür gut geeignet. Es kann eine Vielzahl von Salzen verwendet werden. Derartige
Salze sind nachstehend zusammen mit der kritischen Durchgangstemperatur angegeben,
bei welcher der Phasenwechsel erfolgt, der in einem scharfen Anstieg der Leitfähigkeit
des Salzes zum Ausdruck kommt.
| Ungefähre |
| kritische |
| Salze Durchgangs- |
| temperatur |
| in Grad Celsius |
| Thalliumjodid TIJ .............. 173 |
| Thalliumpikrat T10C"H_(NO")".. 46 |
| Zinksulfid ZnS . . . . . . . . . . . . ...... 1020 |
| Kupferbromid CuBr .... * ...... * 384. |
| Kupferjodid CuJ ............... 401 |
| Kupfersulfid Cu2S .............. 91 |
| Silberbromat AgBrO@ ........... 98 |
| Silberjodid AgJ ................ 145 |
| Silbersulfid Ag2S ............... 177 |
| Silbersulfat Ag.S04 ........:... 411 |
| Silberselenid Ag,Se ............. 133 |
| Silbernitrat AgNO; ............. 159 |
| Mangansulfat MnS04 ........... 860 |
| Eisensulfid FeS ................. 298 |
| Chromchlorid CrCI, 4 H.,0 ...... 38 |
| Aluminiumbromid AIBr. ........ 70 |
| Bariumchlorid BaC12 ............ 925 |
| Bariumkarbonat BaC03 ......... 806 |
| Lithiumsulfat Li2S04 ............ 576 |
| Natriumsulfat Na.,SO,, ........... 236 |
| Natriumhydrogenphosphat |
| Na2HP04 - 12 H_,0 . . . . . . . . . . . . . 29 |
| Natriumkarbonat Na,CO,; ....... 450 |
| Kaliumhydroxyd KOH .......... 248 |
| Kaliumchlorid KCl ............. 208 |
| Natriumnitrat Na,NO., .......... 330 |
| Kaliumchlorat KC10, . . . . . . . . . . . 255 |
| Kaliumsulfid K,S ............... 146 |
| Kaliumsulfat K,S04 ............ 588 |
| Kaliummetaphosphat KPO.; ...... 450 |
| Kaliumpyrophosphat K4P,0; .... 278 |
| Kaliumkarbonat K,C0,, * ........ 410 |
| Lithiumkaliumsulfat LiKS04 ..... 435 |
| Kaliumnitrat KN03 ............. 335 |
| Kaliumwolframat KW04 ........ 388 |
| Kalziumsulfat CaS04 ............ 1193 |
| Quecksilberjodid HgJ2 .......... 127 |
| Zäsiumchlorid CsCl ............ 451 |
| Arsensulfid As2S2 ............... 267 |
| Arsensulfit As,S3 ............... 170 |
| Antimonchlorid- SbC1., .......... 65 |
| Bleisulfat PbS04 . . .@ . . . . . . . . . . . . 854 |
| Thalliumnitrat TIN0., ........... 145 |
| Nickelsulfid NisS2 .. . . . . . . . . . ... 550 |
| Zäsiumsulfat Cs,S04 ............ 660 |
| Zäsiumnitrat CSNO., ............ 161 |
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Meßanordnung können verschiedene Verfahren
zur Anwendung
gelangen. So ist es beispielsweise möglich, das pulverförmige
Glas mit pulverförmigen Salzen zu mischen. Es ist aber auch möglich, daß das Glas
mit geschmolzenem Salz überzogen wird. Die Mischung bzw. das überzogene Glas wird
dann in den zwischen dem inneren und äußeren Leiter befmdlichen Raum eingestampft.
Der äußere Leiter wird - soweit erforderlich - anschließend daran in seinem Durchmesser
durch Einführen in ein Gesenk oder auf andere Weise reduziert, derart, daß der eingefüllte
Stoff zusammengepreßt wird.
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Eine andere Methode zur Herstellung der Meßanordnung gemäß der Erfindung
kennzeichnet sich im wesentlichen darin, daß das Salz zusammen mit den Teilchen
13 des hitzebeständigen Materials geschmolzen wird, um die Teilchen dieses Materials
mit Salz zu umhüllen. Die hitzebeständigen, auf diese Weise umhüllten Teilchen werden
dann in einen Aufnahmebehälter eingebracht, wobei die mit Salz umgebenen Teilchen
in dem Glas des fertigen Detektors eingebettet werden, wie dies aus Fig. 2 der Zeichnung
im einzelnen hervorgeht.
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Bei einer weiteren Methode zur Herstellung der erfindungsgemäßen Meßanordnung
werden keramische, hitzebeständige Kügelchen in das Gerät eingebracht. Zur Herstellung
der erfindungsgemäßen Meßanordnung werden diese keramischen Kügelchen zunächst mit
geschmolzenem Salz bzw. mit einer Salzlösung umhüllt, wobei die so umhüllten bzw.
imprägnierten Kügelchen anschließend daran in das Anzeigegerät eingeführt werden.
Auf den ersten Blick mag es zweifellos überraschend sein, daß das in den Kügelchen
befindliche Salz eine Leitungsbrücke zwischen den beiden Leitern herstellt. Dies
ist jedoch in der Tat dadurch möglich, daß derartige Meßanordnungen zum Zwecke der
Lagerhaltung, des Transportes, aber auch des Gebrauches aufgerollt und damit gebogen
werden. Durch dieses Biegen wird die die Kügelchen umgebende Schicht der Glasfüllung
in eine Vielzahl von Scheiben bzw. Blättchen zerbrochen, zwischen welchen das Salz
als Leiter in Erscheinung treten kann.
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Das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren kann dadurch etwas
geändert werden, daß die keramischen Kügelchen einfach fortgelassen werden.
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Die erforderliche Salzmenge ist äußerst gering. Damit wird beim Überziehen
des pulverförmigen Glasmaterials mit den Salzen lediglich ein. dünner Überzug erforderlich.
Für den Fall, daß das Salz mit den hitzebeständigen Teilchen entsprechend der einen
aufgezeigten Methode gemischt wird, ist das Verhältnis von Salz zu Teilchen etwa
5:95. Das Verhältnis kann gegebenenfalls jedoch auch etwas größer sein, obgleich
die Proportion von 50:50 nicht überschritten werden soll. Dies ergibt sich aus der
Erwägung, daß die Mischung beim überschreiten dieses Mischungsverhältnisses nur
schwerlich aus dem Aufnahmebehälter in die Zuführungsleitung einströmt. Es ist besonders
darauf hinzuweisen, daß lediglich ausreichende Salzmengen erforderlich sind, um
eine angemessene Leitfähigkeit an jeder gewünschten bzw. normalerweise an jeder
beliebigen Stelle des Anzeigegerätes zu gewährleisten. Die Salzmengen können jedoch
auch das für unbedingt erforderlich gehaltene Maß überschreiten. .
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Obgleich vorstehend lediglich von einzelnen Salzen als solchen gesprochen
wurde, ist es selbstverständlich auch möglich, eutektische Salzmischungen zu verwenden,
welche beim eutektischen Punkt der Salzmischung einen schärferen Wechsel in der
Leitfähigkeit bedingen.