DE2139828B2

DE2139828B2 - Temperaturmesswiderstand mit grosser temperaturwechselbestaendigkeit aus glaskeramik

Info

Publication number: DE2139828B2
Application number: DE19712139828
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Phys 6200 Wiesbaden Knsten
Original assignee: Jenaer Glaswerk Schott and Gen
Current assignee: Schott AG
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1971-08-09
Publication date: 1973-07-19
Also published as: DE2139828C3; GB1349307A; FR2148512B1; CH541800A; IT963730B; NL7208885A; DE2139828A1; US3786390A; FR2148512A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Temperaturmeßwiderstände mit großer Temperaturwechselbeständigkeit.

Bekannt sind NTC-Widerstände. Dies sind Temperaturmeßwiderstände aus η-leitenden Halbleitermaterialien, wie z. B. Fe₃O₄, Zn₂TiO₄, MgCr₂O₄, mit einem negativen Temperaturkoeffizienten des Widerstandes von 2,5%/° C bis 4,5 %/°€. Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der genannten Materialien liegt in der Größenordnung α= 100 X 10-⁷/°C.

Bekannt sind ferner keramische Widerstandsthermometer, wie sie z.B. in der deutschen Patentschrift 644 931 vom 22.4.1937 beschrieben sind. Der lineare thermische Ausdehnungskoeffizient der bei solchen Widerstandsthermometern angewandten keramischen Materialien liegt zumeist im Bereich von α = 60 x 10" 7° C bis a = 120 X 10" 7° C.

Bekannt sind schließlich Widerstandsthermometer, deren Temperaturmeßelement aus Glas besteht. Hier kommen im allgemeinen elektrisch gut leitende Alkalisilikatgläser mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten von α = 90 X 10~ ⁷/° C bis a = 100 X 10" 7 " C zur Anwendung.

Auf Grund ihrer großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind Temperaturmeß widerstände aus den obengenannten Materialien empfindlich gegen schroffe Temperaturwechsel, da sich bei derartigen Beanspruchungen in dem Widerstandselement Wärmespannungen aufbauen können, die die Bruchgrenze dieser Materialien überschreiten.

Die Bruchwahrscheinlichkeit bei schnellen Temperaturwechseln nimmt mit wachsender räumlicher und flächenhafter Ausdehnung des Temperaturmeßwiderstandes zu. Sie ist um so größer, je größer der thermische Ausdehnungskoeffizient des Widerstandsmaterials ist.

Oft besteht jedoch die Forderung, mehrere Temperaturen in einem möglichst kurzen Zeitraum nacheinander zu messen. Ein Beispiel hierfür ist die Bestimmung der momentanen Temperaturverteilung in

einem Industrieofen: Hier kommt es darauf an, die Temperatur an verschiedenen Stellen des Ofens gleichzeitig oder in der kürzest möglichen Zeit zu messen. Verwendet man hierzu ein Tauchelement, so erleidet dieses bei jedem Eintauchen in den Ofenraum

ίο und beim Herausziehen einen Temperaturschock. Temperaturmeßsonden aus keramischen Materialien, etwa entsprechend der deutschen Patentschrift 644931, halten einer solchen Beanspruchung nicht stand. Auch Thermoelemente sind zumeist mit einem Schutzrohr aus keramischem Material umgeben und damit in gleicher Weise gefährdet. Die Verwendung einer Vielzahl fesi eingebauter Thermoelemente ist für die gleichzeitige Messung aus betrieblichen Gründen oft nicht möglich. Die langen Wartezeiten für das Abkühlen und Aufheizen der Tauchsonde verfälschen das Bild der Messung.

Auch die Bestimmung der mittleren Oberflächentemperatur mit flächenhaft ausgebildeten Temperaturmeßwiderständen aus den genannten Materialien ist bei großen Temperaturunterschieden zwischen dem Meßobjekt und dem Meßwiderstand aus den oben angeführten Gründen nicht möglich.

Die geringe Temperaturwechselbeständigkeit, bedingt durch den großen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von halbleitenden Materialien, Keramiken und Gläsern ist ein großer Nachteil.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Temperaturmeßwiderstarid mit großer Temperaturwechselbeständigkeit zu schaffen, der die Nachteile der bekannten Temperaturmeßwiderstände aus halbleitenden Materialien, Keramiken und Gläsern nicht . aufweist, der den gleichen oder einen größeren Temperaturkoeffizienten besitzt und der bei beliebigen Abmessungen und Temperaturen von beispielsweise 700⁰C bis S 1000⁰C ein Abschrecken auf Raumtemperatur ohne weiteres ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Widerstandsmaterial aus einer Glaskeramik mit einem Wärme-Ausdehnungskoeffizienten

kleiner als 30 x 10" 7⁰C besteht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht das Widerstandsmaterial aus alkalihaltigen Glaskeramiken, insbesondere solchen des Systems SiO₂-Al₂Oj-Li₂O, da diese neben der erfor-

derlichen Leitfähigkeit eine gute Temperaturwechselbeständigkeit infolge ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von -10 X 10~⁷/°C bis + 15xlO~⁷/°C aufweisen. Derartige Glaskeramiken sind in den deutschen Offenlegungsschriften 1 596 855 und 1 596 860 sowie in der deutschen Patentschrift 1 596 858 beschrieben.

Die Größe des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wird von der Art und Zusammensetzung der Kristallphase sowie der Zusammensetzung der Glas-

phase und von dem Verhältnis der Glas- zur Kristallphase beeinflußt.

Durch gezielte Wärmebehandlung bei der Keramisierung und die Wahl der Zusammensetzung kann die Größe des Ausdehnungskoeffizienten innerhalb des Bereiches von z.B. — 10Xl0-⁷/°C bis + 15 X 10"" ⁷/° C variiert werden. Dabei ist es möglich, Glaskeramiken mit der thermischen Ausdehnung Null herzustellen.

3 Γ ₄

Temperaturmeßwiderstände aus Glaskeramiken von Temperaturmeßwiderständen gemäß der Erfin-

V nut der thermischen Ausdehnung Null unterliegen - dung.

jinabhängig von ihrer Größe und Form - keinerlei Der in Fig. 2 dargestellte Temperatunneßv.ider-

VI Einschränkungen in der Anwendung bei schnellen stand kann beispielsweise dadurch hergestellt werden," Temperaturwechseln und großeu Temperaturunter- 5 daß eine dünne PlatiEdrahtschleife awischen zwei schieden, da sich in diesem \Yiderstandsmaterial keine noch nicht keramisierte Glaskeramikplättchen gelegt thermisch verursachten Spannungen aufbauen kön- und dieser Sandwich bei hoher Temperatur unter nen. Druck verschmolzen und gleichzeitig keramisiert

Die elektrische Leitung der Glaskeramik beruht, wird.

wie bei Gläsern, auf der Ionenleitung. Die Abhängig- 10 Nach Abschluß der Temperaturbehandlung wird keit ^es spezifischen Widerstandes von der Tempera- die Platindrahtschleife aufgetrennt und der Temperatur wird durch das Gesetz von Rasch und Hin- turmeßwiderstand durch Schleifen und Polieren in riehsen beschrieben, das in der Form seine endgültige Form gebracht.

_ _ ._/T Die so erzeugten Temperaturmeßwiderstände ha-^T ^a ' * 15 ben etwa die Abmessungen eines Würfels mit 5 nun geschrieben werden kann, womit die prinzipielle Kantenlänge; sie sind hochohmig, da die von den Pia-Übereinstimmung des Widerstandsverlaufes in Ab- tindrähten gebildeten Kontaktierungsflächen klein hängigkeit von der Temperatur mit dem der NTC-Wi- sind und im wesentlichen nur das Glaskeramikvoluderstände deutlich wird. men, das sich zwischen den Drähten befindet, als

Es bedeuten: ₂₀ Temperaturmeßwiderstand zur Wirkung kommt.

R_T: Widerstand der Glaskeramik in Ohm · cm bei Fig. 3 zeigt einen flächenhaft ausgebildeten Tem-

der absoluten Temperatur T. peraturmeßwiderstand gemäß der Erfindung in seiner

ο Fine von der Gestalt des Widerstandes abhän- einfachsten Form:

gige Konstante der Dimension Ohm · cm. Auf einer Glaskeramikplatte wird durch zwei Leit-

b: Eine von der Gestalt und dem Werkstoff des 25 silberstreifen 2 eine Widerstandszone 1 abgegrenzt

Widerstandes abhängige Konstante mit der Dirnen- und kontaktiert. Die Kontaktierungen können auch

sion Grad Kelvin. aus Goid oder Platin bestehen, das ebenso wie das

e: Die Basis der natürlichen Logarithmen. Leitsilbei als organische Lösung im Siebdruck auf die

Der typische Verlauf des Widerstandes in Abhän- Platte aufgebracht und bei der Keramisierung oder gigkeit von der Temperatur geht aus der Darstellung 30 in einem gesonderten Verfahrensschritt in die Platin Fig. 1 hervor. tenoberflache eingebrannt wird. Das verwendete

Der Temperaturkoeffizient der Meßwiderstände Kontaktmaterial richtet sich nach der gewünschten

aus Glaskeramiken des Systems SiO₂-Al₂O₃-Li₂O ist maximalen Gebrauchstemperatur. Ebenso richtet sich

negativ. Er ist temperaturabhängig und beträgt z. B. die - an sich beliebige - Form der Leiterbahnen nach

bei 300° C 3,3 %/° C. ₃₅ dem jeweiligen Verwendungszweck dieser plattenför-

Die obere Anwendungstemperatur von maximal migen Temperaturmeßwiderstände, die mit Abmes-

1000° C der Meßwiderstände gemäß der Erfindung sungen bis zu 500 mm X 500 mm hergestellt werden

ist festgelegt durch die Temperatur, bei der in der können.

Glaskeramik bleibende Veränderungen, beispiels- Auf Grund der relativ geringen Wärmeleitung und

weise durch ein Fortschreiten der Kristallisation, auf- 40 des steilen Widerstandsverlaufes mit der Temperatur

treten. Nach unten ist der Temperatureinsatzbereich eignen sich flächenhaft ausgebildete Temperaturmeß-

nur durch den im jeweiligen Anwendungsfalle noch widerstände gemäß der Erfindung, insbesondere zur

tragbaren größten Widerstand begrenzt. Temperaturüberwachung großer Flächen, die keine

Die technische Herstellung der Temperaturmeßwi- örtlichen Überhitzungen erleiden dürfen,

derstände gemäß der Erfindung kann z.B. in vier 45 Hierzu kann man sich den Widerstand der in F ig. 3

Schritten erfolgen: dargestellten Anordnung zusammengesetzt denken

1. Erschmelzen der Gläser. aus einer Vielzahl differentieller Widerstandsele-

2. Formung der Widerstandselemente direkt im mente, die parallel geschaltet sind. Der kleinste Wi-Anschluß an die Schmelze mit den von der Glas- derstand tritt in dieser Anordnung dort auf, wo die verarbeitung her bekannten Techniken, wie 50 Fläche am stärksten erhitzt wird. Die geringe Wärme-Pressen, Gießen, Walzen, Ziehen oder Blasen leitung der Glaskeramik veihindert einen schnellen bzw. in einem gesonderten Verfahrensschritt Temperaturausgleich der überhitzten Stelle mit der durch Verpressen bereits vorgearbeiteter Teile Umgebung. Der Gesamtwiderstand der Parallelschaloder als Sinterelemente aus Granulaten. tung wird daher so lange von dem Widerstand der

3. Umwandein der noch glasigen Widerstandsele- ₅₅ heißesten Stelle bestimmt, bis der Temperaturausmente in den polikristallinen Zustand durch eine gleich erfolgt ist. örtliche Überhitzungen bewirken gezielte Temperaturbehandlung, wobei der zeit- somit kurzzeitige, krasse Widerstandsänderungen des liehe Ablauf des Temperaturprogrammes und als Fläche ausgebildeten Temperaturmeßwiderstandie Höhe der dabei angewandten Temperaturen des gemäß der Erfindung, die zur Steuerung eines so gewählt werden, daß der thermische Ausdeh- 60 Überhitzungsschutzes dienen können,
nungskoeffizient des keramisierlen Tempen- In F i g. 4 ist ein als Temperaturmeßsonde ausgebilturmeßwiderstandes in dem Tempera! uranwen- deter Temperaturmeßwidei stand gemäß der Erfindungsbereich nahe Null liegt. dung im Längsschnitt dargestellt:

4. Kontaktieren der WiderstandKelemente. Ein Glaskeramikrohr 1 von beispielsweise Je nach Art der verwendeten Kontaktierungen 6₅ lOOOmmLängeträgtaneinem Ende auf seiner Innenkönnen die Schritte 2, 3 und 4 miteinander vertauscht und Außenseite eine Metallisierung 2, z. B. aus Pl^at'ⁿ> oder gekoppelt sein. in einer Länge von 100 mm. Relativ schmale ^Ko"^taKl'

Die Fig. 2 bis 4 zeigen drei Ausführungsbeispiele streifen 3 führen von den Metallbelägen zum anderen

Ende des Glaskeramikrohres, wo der Anschluß eines geeigneten Anzeigegerätes erfolgen kann.

Der Temperaturmeßwiderstand wird hier im wesentlichen vonden großflächigen Metallbelägen an einem Ende des Rohres gebildet.

Die geringe thermische Ausdehnung dieser Meßsonde erlaubt ein direktes Eintauchen in heiße Ofenräume, Abgaskammern usw. Brüche, z.B. infolge schroffer Temperaturänderungen oder einer teilweisen Erhitzung der Sonde, treten dabei nicht auf.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Temperaturmeßwiderstand mit großer Temperaturwechselbeständigkeit, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial aus einer Glaskeramik mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als 30 X 10" T C besteht.

2. Temperaturmeßwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial aus einer Glaskeramik des Systems SiO₂-Al₂O₃-Li₂O besteht.

3. Temperaturmeßwiderstand nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß er aus einer Glaskeramikfläche besteht, auf der durch eingebrannte Leiterbahnen aus Silber, Gold oder Platin bestimmte, beliebig geformte Widerstandszonen abgegrenzt sind.

4. Verfahren zur Herstellung eines Temperaturmeßwiderstandes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Kontaktdrähte aus Platin oder anderen geeigneten Materialien mit hohem Druck bei Temperaturen oberhalb 700⁰C in das Widerstandselement eingepreßt werden.