DE2047539C3

DE2047539C3 - Thermoelement

Info

Publication number: DE2047539C3
Application number: DE2047539A
Authority: DE
Inventors: Erwin Eggert; Hans Dipl.-Ing. Schmidt; Gert Schueckle
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1970-09-26
Filing date: 1970-09-26
Publication date: 1973-09-20
Also published as: DE2047539B2; GB1367319A; US3819420A; FR2108462A5; DE2047539A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Thermoelement, bestehend aus einem, den einen Schenkel des Theirnopaares bildenden, abgeschnittenen Taylor-Draht, der koaxial in ein Glas-Kapillarrohr eingeschmolzen ist, sowie aus einem, das Glas-Kapillarrohr mindestens teilweise koaxial umgebenden Metallrohr, das die Ableitung des anderen thermoeleklrischen Schenkels bildet.

Bei Anwendung des Prinzips der Temperaturmessung auf thermoelektrischem Wege besteht für die Messung schneller Temperaturänderungen die Schwierigkeit der Wärmeübertragung an die Meßstelle und das Ansprechvermögen der Meßstelle selbst.

Die Schnelligkeit, mit der ein Thermoelement auf eine Temperaturänderung anspricht und eine Gleich-

gew ichtstemperatur im Kontakt mit dem umgebenden Medium erreicht, hängt ab von dem Wärmetausch zwischen Umgebung und Meßstelle und von der Wärmeaufnahmefähigkeit der Meßstelle selbst. Die Betrachtung der physikalischen Abläufe (Wärmeüber-

gang. Wärmeleitung) zur Optimierung der Genauigkeit und Ansprechjeschwindigkeit führt zur Geometrie des Thermoelements. Man definiert das Ansprechvermögen eines Thermoelements durch seine Zeitkonstante, als die Zeit τ, in der 63,2 °/o der zu übertragenden Temperaturdifferenz angezeigt wird.

Es sind nun Miniaturthermoelemente (Draht-Thermoelemente) bekannt, die im allgemeinen durch Verkleinerung der Standardteile hergestellt werden, um dadurch das Ansprechvermögen zu steigern. Diesem Verfahren sind jedoch je nach Aufbau des Thermoelements fertigungstechnische Grenzen gesetzt. Üblicherweise werden Mantellhermoelemente mit zwei Mcßdrähtcn angeboten, wobei das gängige Adernmaterial Nickelchrom-Nickel ist. Thermoelemente mit isolierter Meßstelle haben im allgemeinen 0,25 mm Durchmesser, solche mit unisoherter Meßstelle Ü.5 mm Durchmesser. Die niedersten und optimal erreichbaren Zeitkonstanten liegen im Bereich

,., etwa von mehreren hundertstel Sekunden.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein Thermoelement mit dazugehörigem Herstellungsverfahren /u schaffen, das die Messung sehr rascher, definierter Temperaturänderungen mit Zeitkonstanten im ms-Bereich gestattet. Des weiteren sollen bei der Umströmung des Thermoelements mittels strömungsfähiger Medien exakte Strömungsverhältnisse ohne Wirbel- und Kavernenbildung an der Spitze des Thermoelements sichergestellt sein.

Zur Lösung der Aufgabenstellung bidet sich als Ausgangsmaterial für das zu schaffende Thermoelement der bekannte Taylor-Draht an. auf den in der Beschreibung näher eingegangen wird. Erfindungsgemäß besteht die Losung der Aufgabe darin, daß die aus dem einen Thermomaterial bestehende Metallseele des Taylor-Drahtes durch eine mindestens gerade noch elektrisch leitfähige Schicht des anderen Thermomateri.ils mit dem Metallrohr verbunden ist und so an der Berührungsstelle von Metallseele und Schicht die thermoelektrisch wirksame Meßstelle bildet.

Dabei kann der in das Glas-Kapillarrohr eingeschmolzene Taylor-Draht aus diesem mindestens teilweise hcrausragen. Weiterhin schließt in einer besonders vorteilhaften Weise die Metallseife am freiliegenden Ende in der Querschnittsebene bündig mit der Quirzgla; ummantelung des Taylor-Drahtes ab und umhüllt eine wenige um dicke Schicht das freiliegende Ende des Taylor-Drahtes bis zum Rand des Metallrohies, und die Schicht besieht aus dem aufgedampften, chemisch oder elektrisch niedergeschlagenen Material des Metallrohres. Eine besonders günstige Ausführungsform besteht darin, daß das Glas-Kapillarrohr mit dem koaxial eingeschmolzenen Taylor-Draht im Bereich außerhalb des Metallrohres um 90" um-

gebogen ist Die Lösung der Aufgabenstellung bezüglich des Herstellungsverfahrens für das Thermoelement besteht darin, daß der Taylor-Draht nach dem Einschmelzen in das Glas-Kapillarrohr gemeinsam mit diesem umgebogen und erst üann abgeschnitten wird, so daß die Metallseele freigelegt wird, daß das Glaskapillarrohr in das Metallrohr eingeschmolzen wird und daß danach zwischen Metallrohr und Stirnflächen der Metallseele durch Niederschlag einer dünnen Metallschicht entsprechenden Materials sowohl die eigentliche thermoelektrische Meßstelle als auch cleichzeitig die Zuleitungsverbindung mit dem Metallrohr hergestellt wird.

Die Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 3 näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 das gesamte Thermoelement im Längsschnitt,

F i g. 2 ein Detail an der Meßspitze desselben,

F i g. 3 das Osziüogramm eines Meßvorgangs, der rna dem erfindungsgcrnäßen "!!'ermoelement aufgenommen wurde.

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wie schon crwähm, basiert das ernndungsgemäße Ι i ermoelement auf dem sogenannten Taylor-Draht. Der Taylor-Draht bc-t-ht aus einer sehr dünnen MelaiSeele, die mit einer dünnen Quarzglasschicht umiTijniL-lt ist und wird nach einem speziellen Verfahren hergestellt. Das Verfahren besteht darin, daß ein S> stern, bestellend aus einem Glasiohr. in das ein Metallfaden eingebracht ist, unter Zuführung sein g;'Her Strahlungswärme ausgezogen wird. Aus dem C '.isrohr entsteht dabei ein dünner Glashohlfaden, ti.r den aus einer flüssigen Schmelze erstarrten, sehr uüniien Metallfaden enthält. Auf diese Weise lassen -ieli Drahtdurchmesser von weniger als 1 um herstellen.

Hm so gewonnener, dünn mit Quarzglas ummantelter Mikrodraht stellt den Innenleitei eines Thermoelements, wie aus den F i g. 1 und 2 hervorgeht, dar. !).! Taylor-Draht 1. der aus der Metallseele 6 und in Quarzglasmantel 7 besteht, ist in ein GIa--Lznillarrohi 4 eingeschoben und mn diesem \ei-■ciimolzen. Das Glaskapillarrohr 4 ist seinerseits in ι Metallrohr 2 eingebracht und mit diesem verciimolzen. Dabei ragt der Taylordraht 1 aus dem * .laskapillarrchr 4 und dieses wiederum aus dem Me- : !!rohr 2 mindestens teilweise heraus. Bei einer spe-. lellen Ausführungsform des Thermoelements zur l'ntersuchung von Dampfblasen ist das Glaskapiilarrohr 4 mit dem koaxial eingeschmolzenen Taylor-Draht 1 im Bereich außerhalb des Meta'.lrohres 2 um "O" gebogen, um z. B. vertikal aufsteigende Gasblasen besser erfassen zu können. Der Abschluß des Metaürohres 2 in Richtung auf die Spitze 5 des Thermoelements wird durch den Rand 8 gebildet. Die Spitze, bzw. Meßstelle 5 des Taylor-Drahtes 1, wird durch eine Drahtquerschnittsebene gebildet, in welcher die Metallseele 6 mit der Quarzglasummantelung 7 bündig abschließt (siehe F i g. 2). Die gesamte Außenseite der Anordnung von der Spitze 5 bis zum Rand des Metallrohres 2 ist mit einer mindestens gerade noch elektrisch leilfähigen schicht 3 des einen •.hermLfcIektrischen Materials ummantelt. Die Metallseele 6 des Taylor-Drahtes besteht nun aus dem zweiten thermoelektrischen Material. Dadurch entstein an der Spitze 5 eine Fläche von wenigen um Metaliseelenquerschnitt, die mit einer wiederum sehr dünnen Metallschicht von wenigen μπι beschichtet ist. Bei der Verwendung verschiedener thermoelektrischer Materialien für Metallseele 6 und Schicht 3 wird dadurch eine thermoelektrisch wirksame Stelle 5 von kleinster Masse gebildet. Die Rückleitung der dünnen Schicht 3 zu dem entsprechenden Meßgerät erfolgt durch das Metallrohr 2, das aus demselben Material wie die Schicht 3 bestehen muß. Die Verbindung zwischen Metallrohr 2 und Schicht 3 am Rand 8 kann durch Aufbringen einer Zvvischenübertragungsschicht 9, die z. B. vorteilhafter Weise aus Metallpulver-Epoxidharzlösung bestehen kann, verbessert werden. Die Metallschicht 3 wird vorzugsweise durch chemisches Niederschlagen, durch Kathodenzerstäubung, Aufdampfen oder Besprühung auf den Quarz- !5 glasmantel 7 bzw. das Glas-Kapillarrohr 4 aufgebracht. Dieser sehr dünne, noch durchsichtige, aber mindestens sehr gut elektrisch leitfähige Niederschlag wird ggf. an den beanspruchten Stellen wie an der Biegung gezielt galvanisch verstärkt, ao Welch gute Ergebnisse mit einem erfindungsgemäüen Thermoelement der beschriebenen Bauart erzielt weiden können, zeigt die Abbildung eines Oszillogramms, wie es in Fig.? dargestellt ist. Dabei handelt es sich um ein Thermoelement, dessen Metalla5 seele 6 aus Konstantan und dessen zweite thermoelektrisch wirksame Schicht 3 aus Silber gebildet wird. Die Metallseelenstärke beträgt etwa 5 um und die Dicke der zweiten thermoelektrischen Schicht an der Spitze 5 beträgt etwa 2 μΐη. Die Kurve nach der F i g. 3 ist durch Betropfen des Thermoelements mit heißem Wasser gewonnen. Die Verweilzeit des Tropfens an der 1 hermoelementspitze von ca. 5 ms reicht aus. um die volle Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Wassertropfen anzuzeigen. Die Zeitkonstante bei dem vorliegenden Thermoelement nach der Erfindung beträgt etwa 1 ms.

Das Them »element wird nach einem speziellen Herslellungsv. i lahren gefertigt:

Dabei wird zunächst der Taylor-Draht 1 in das Glas-Kapillarrohr 4 eingeschmolzen. Anschließend werden neide gemeinsam umgebogen. Erst dann kann der Taylor-Draht abgeschnitten werden, um eine saubere Stirnfläche mit bündig liegender Metallseele zu erhalten. Nach Einschmelzen des Glas-Kapillarrohres 4 in das Metallrohr 2 wird zwischen Metallrohr und Stirnfläche der Metallseeleo durch Niederschlag einer sehr dünnen Metallschicht einerseits die eigentliche thermoelektrische Meßstelle 5 als auch gleichzeitig die Zuleitungsverbindung mit dem Metallrohr hergestellt. Die Beschichtung erfolgt in zweckmäßiger Weise zunächst durch chemischen Niederschlag und wird anschließend galvanisch verstärkt. Zuvor müssen jedoch alle Oberflächen sorgfältig entfettet werden.

hin nach diesem Verfahren hergestelltes, erfindungsgemäßes Thermoelement löst die Aufgabenstellung in vorteilhafter Weise:

Bd einwandfrei definierbaren Strömungsverhältnissen an der Spitze wird ein Thermoelement geschaffen, dessen Zeitkonstante in der Grüßenordnung von einer Millisekunde liegt. Diese, wird dadurch etwa um einen laktur IU verbessert. Dadurch wird die Messung sehr : ascher Temperaturänderungei), die sich in sehr geringen Temperatiirdiiferenzen (z. B. Untersuchung von Veidampfungserscheinungen) bewegen können, ermöglicht. Dabei sind beliebige Geometrien des Thermoelements durch entsprechende Biegung des Glas-Kapillarrohres möglich.

Hierzu "1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Thermoelement, bestehend aus einem, den einen Schenkel des Thennopaares bildenden abgeschnittenen Taylor-Draht, der koaxial in ein Glas-Kapillarrohr eingeschmolzen ist, sowie aus einem, das Glas-Kapillarrohr mindestens teilweise koaxial umgebenden Metallrohr, das die Ableitung des anderen thermoelektrischen Schenkels bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem einen Thermomaterial bestehende Metallseele (6) des Taylor-Drahtes (1) durch eine mindestens gerade noch elektrisch leitfähige Schicht (3) des anderen Thermomaterials mit dem Metallrohr (2) verbunden ist und so an der Berührungsstelle von Metallseele (6) und Schieb! (3) die thermoelektrisch wirkame Meßstelle (5) bildet.

2 Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in das Cil^-Kapillarrohr (4) eingeschmolzene Taylor-Draht (I) aus diesem mindestens teilweise herausragt.

3. Thermoelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallseele (6) am freiliegenden Ende (5) in der Querschniitsebene bündig mit der Quarzglasummantelung(7) des Taylor-Drahtes (1) abschließt und daß eine wenige um dicke Schicht (3) das freiliegende Ende (5) des Taylor-Drahtes (1) bis zum Rand (8) des Metallrohres (2) umhüllt und daß die Schicht (3) aus dem aufgedampften, chemisch oder elektrisch niedergeschlagenen Material des Metallrohres (2) besteht.

4. Thermoelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas-Kapillarrohr (4) mit dem koaxial eingeschmolzenen Taylor-Draht (1) im Bereich außerhalb des Metallrohres (2) um 90 gebogen ist.

5. Thermoelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontaktverbesserung zwischen Stirnflächen der Schicht (3) und des Metallrohres (2) über dem Rand (8) eine Zwischenübertragungsschicht (9) aufgebracht ist

ft. Verfahren zur Herstellung eines Thermoelements nach Anspruch 4 aus einem Taylor-Draht, dadurch gekennzeichnet, daß der Taylor-Draht (1) nach dem Einschmelzen in dasGlas-Ka pillarrohr (4) gemeinsam mit diesem gebogen und erst dann abgeschnitten wird, so daß die Metallseele (6) freigelegt wird, daß das Glas-Kapillarrohr (4) in das Metallrohr (2) eingeschmolzen wird, und daß danach zwischen Metallrohr (2) und Stirnfläche der Metallseele (6) durch Niederschlag einer dünnen Metallschicht (3) entsprechenden Materials sowohl die eigentliche thermoelektrisehe Meßstelle (5) als auch gleichzeitig die Zuleitungsverbindung mit dem Metallrohr (2) heruesieHt wird.