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Verfahren zum Herstellen eines Oberflächen-
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thermoelementes Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen
eines Oberflächenthermoelementes nach dem Oberbegriff von Anspruch 1. Zwar sind
die im Gattungsteil von Anspruch 1 angesprochenen Oberflächenthermoelemente beispielsweise
aus Firmenprospekten der Herstellerfirmen solcher Oberflächenthermoelemente bekannt,
jedoch geht aus diesen das Herstellungsverfahren nicht als bekannt hervor. In jedem
Fall handelt es sich um Oberflächenthermoelemente, bei denen die beiden elektrischen
Leiter konzentrisch ineinander liegen und nur durch eine etwa 12 sm starke Isolationsschicht
voneinander getrennt sind. Im Bereich der Stirnfläche der beiden Leiter ist ein
metallischer Belag von etwa 1 >im Stärke aufgebracht, der eine extrem geringe
Wärmeträgheit beinhaltet und aufgrund dessen erlaubt, Oberflächentemperaturen bzw.
ihre zeitliche Veränderung trägheitsfrei zu messen. Die Isolationsschicht ist nicht
nur - wie gesagt - sehr dünn, sondern auch sehr spröde, so daß die beiden koaxial
zueinander angeordneten Leiter
nicht mehr gebogen#werden können
bzw. dürfen, ohne daß eine Verletzungsgefahr für die Isolationsschicht besteht.
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Die Sprödigkeit des Isolationsmaterials ist mit Rücksicht auf den
Temperatureinsatz bei sehr hohen Temperaturen bedingt. Die bekannten Oberflächenthermoelemente
sind daher nur als kleine nicht biegbare Stäbchen erhältlich, die für ihren Einbau
am Meßort relativ viel Platz benötigen, der häufig aber nicht zur Verfügung steht.
Aus diesem Grunde scheitern häufig an sich wünschenswerte Oberflächentemperaturmessungen.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Oberflächenthermoelemente ist, daß diese sehr
teuer sind, beispielsweise 1.000.-- DM pro Stück. Dieser extrem hohe Preis ist nur
dadurch erklärbar, daß bei dem Herstellungsverfahren ein unverhältnismäßig hoher
Ausschußanteil anfällt und nur ein sehr geringer Prozentsatz der Produktion brauchbar
ist. Überdies sind die bekannten Oberflächenthermoelemente nach einmaligem Gebrauch
häufig nicht wiederverwendbar, insbesondere, wenn sie - wie meist der Fall - während
einer Oberflächentemperaturmessung verrußen oder sonst sich mit einem Belag oder
einer Versrhmutznng überzogen haben. Bei dem Versuch, derartige die Messung beeinträchtigenden
festhaftende Verschmutzungen zu beseitigen, wird meist auch der sehr dünne metallische
Belag beschädigt. Eine Erneuerung des metallischen Belages selber ist meist illusorisch,
weil durch dessen Abtragen Grate an den Rändern der elekrischen Leiter entstehen,die
die sehr dünne Isolation überbrücken und dadurch die Meßempfindlichkeit des erneuerten
Oberflächenthermoelementes beeinträchtigen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren
für
Oberflächenthermoelemente anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik
vermeidet, mit welchem also Oberflächenthermoelemente mit geringer Ausschußquote
ohne weiteres hergestellt werden können und welches zu Oberflächenthermoelementen
führt, die biegsam sind und somit auch in beengten Einbauverhältnissen ohne weiteres
verwendbar sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale
von Anspruch 1 gelöst. Das darin angesprochene Mantelthermomaterial ist das übliche
Material, was für normale Thermoelemente verwendet wird und welches preiswert als
quasi endloses Halbfabrikat in unterschiedlichen Abmessungen im Handel erhältlich
ist. Wegen der Verwendung dieses Mantelthermomateriales zu Meßzwecken ist es auch
genormt (DIN 43 721), um bei unterschiedlichen Messungen eine gemeinsame Basis zu
haben. Dieses Mantelthermomaterial ist nicht nur in koaxialer Ausführung erhältlich,
bei dem der eine Leiter koaxial im Innern des anderen röhrchenförmigen Leiters angebracht
ist, sondern ist auch in Zweileiterausführung handelsüblich, bei dem die beiden
Leiter isoliert zueinander und zu einem weiteren äußeren metallischen Schutzmantel
angeordnet sind. Beide Ausführungsarten sind für die vorliegenden Zwecke geeignet.
Aufgrund der Pulverisolation und einer relativ großen Isolationsschichtdicke von
etwa gleicher Größenordnung wie der Durchmesser der Leiter selber ist ein solches
Mantelthermomaterial ohne weiteres wie ein Draht biegbar, ohne daß die Isolation
verletzt oder durchstoßen würde. Auch Mehrfachbiegungen sind ohne weiteres zulässig.
Aus diesem Grunde ist ein daraus hergestelltes Oberflächenthermoelement auch in
beengten Einbauver-
hältnissen unterzubringen. Wegen des einfachen
Herstellungsverfahrens des Mantelthermomaterials und seines hohen Verbreitungsgrades
- es wird zur Herstellung üblicher Thermoelemente benutzt, die jedoch für die Oberflächentemperaturmessung
noch zu träge sind - , ist das Ausgangsmaterial zur Herstellung der Oberflächenthermoelemente
sehr-preiswert, was sich auch auf den Endpreis des herzustellenden Oberflächenthermoelementes
günstig auswirkt. Wegen der großen Isolationsstärke zwischen dem Leiter kann diese
nicht durch Grate, die beim Planschleifen der Stirnfläche des Mantelthermomaterials
entstehen, überbrückt werden. Es läßt sich also mit relativ einfachen Mitteln eine
neue einwandfr#eie Stirnfläche anbringen, so daß ein verschmutzter Metallb#lag-
auf relativ einfache Weise erneuert werden kann.
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Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles
nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen Fig. 1 ein Mantelthermomaterial in
stark vergrößerter Darstellung und den Vorgang des Tränkens der Pulverisolation
mit einem Bindemittel, Fig. 2 das mit einer ebenen Stirnfläche versehene Mantelthermomaterial,
dessen Isolation im Endbereich zu einem formstabilen Körper ausgehärtet ist und
Fig.
3 das fertige Oberflächenthermoelement nach dem Aufbringen eines Metallbelages auf
die Stirnseite.
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In den Figuren ist ein Mantelthermomaterial 1 in Zweileiterausführung
mit einem ersten Leiter 2 und einem zweiten Leiter 3 gezeigt, die paralle nebeneinander
liegend im Innern eines Mantels 9 angeordnet sind. Der Zwischenraum zwischen den
beiden Leitern und dem Mantel 9 ist durch eine Pulverisolation 4 aus Keramikpulver
ausgefüllt. Dieses Pulver läßt sich bei Verbiegungen des Mantelthermomaterials zwar
deformieren, ist jedoch im Ruhezustand fest genug gepreßt, um nicht frei an einer
Trennstelle 10 des Mantelthermomaterials herauszurieseln. Derartige Mantelthermomaterialien
sind mit Außendurchmessern D von 0,25 mm bis 2,0 mm und mehr handelsüblich. Die
Isolationsstärken k betragen etwa 60% des Durchmessers d der beiden Leiter 2 und
3 bzw. der Wandstärke s des Mantels 9. Diese Relation gilt näherungsweise für alle
Durchmesser des Mantelthermomaterials.
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Zur Herstellung eines Oberflächenthermoelementes wird zunächst eine
Trennstelle 10 im Bereich der herzustellenden Oberflächenmeßstelle angebracht, wobei
darauf zu achten ist, daß die Deformation des Mantelthermomaterials möglichst gering
bleibt und auch möglichst wenig Isolationspulver austritt. Die Pulverisolation wird
nun mit einem dünnflüssigen und aushärtbaren Bindemittel getränkt, wobei das Bindemittel
durch Kapillarwirkung eine Strecke weit (Maß 1) in das Innere des Mantelthermomaterials
axial hineinkriecht. Durch Lufttrocknung, durch Erhitzung
oder durch
chemische Reaktion kann das Bindemittel aus gehärtet werden, so daß sich in dem
durchtränkten Bereich eine formstabile Isolation 7 bildet. Das Bindemittel muß temperaturbeständig
bis in den Bereich der Einsatztemperaturen sein; es muß im ausgehärteten Zustand
den gleichen Temperaturausdehnungskoeffizienten wie die elektrischen Leiter und
der Mantel haben und es muß zumindest im ausgehärteten Zustand elektrisch isolierend
wirken. Als ein brauchbares und preiswertes Bindemittel, welches die oben aufgezeigten
Eigenschaften bis über 10000C aufweist, ist Wasserglas, eine wässrige Lösung von
Natriumsilikat. Andere denkbare Bindemittel sind Kieselgel, organischer Kieselsäureester,
z.B. Ethylsilikat, dünnes Kieselsäuregel oder auch eine Zirkonlösung, die anschließend
mit einer Phosphatlösung ausgehärtet wird. In Fig. 1 ist das Bindemittel 8 in Form
eines winzigen an der Trennstelle 10 hängenden Tropfens dargestellt, der nach kurzem
Eintauchen des Mantelthermomaterials in einen Vorrat an flüssigem Bindemittel daran
hängengeblieben ist.
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Nach dem Aushärten des Bindemittels und Bildung einer formstabilen
Isolation auf der Länge 1, die mindestens dem Durchmesser D des Mantelthermomaterials,
vorzugsweise aber einem Mehrfachen davon entspricht, kännen die durch das Durchtrennen
des" Mantelthermomaterials im Bereich der Trennstelle 10 entstandenen Formabweichungen
durch Schleifen und ähnliche Feinbearbeitungsvorgänge abgetragen und eine ebene
Stirnfläche 5 angebracht werden, in der die beiden Leiter 2 und 3 sowie der Mantel
9 einschließlich der dazwischenliegenden formstabilen Isolation 7 stumpf und zueinander
bündig endigen. Dieser Zustand ist in
Fig. 2 dargestellt. Wegen
der relativ großen Isolationsstärke k zwischen den beiden elektrischen Leitern 2
und 3 und dem Mantel 9 können die beim Schleifen sich bildenden Grate nicht diese
Isolationsstärke überbrücken. Es können daher ohne weiteres feine Schleifmethoden
angewandt werden, die eine relativ hohe Abtragsleistung haben.
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Ausgehend von diesem Zustand wird nun ein metallischer Belag 6 aufgedampft,
dessen Bedampfungsstärke b etwa in der Größenordnung von 1 Xum liegt und in Fig.
3 übertrieben stark dargestellt ist. Wegen dieser geringen Schichtdicke ist das
Oberflächenthermoelement besonders trägheitsarm.
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Wegen der leichten Anbringbarkeit der Stirnfläche 5 gemäß dem Zustand
in Fig. 2 kann der Metallbelag auch leicht erneuert werden, wenn er einmal verrußt
oder auf sonstige Art verschmutzt ist. Das erfindungsgemäße Oberflächenthermoelement
kann also nicht nur leicht hergestellt werden, sondern es kann auch bei reproduzierbaren
Meßergebnissen leicht erneuert werden.
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Da die formstabile Isolation 7 nur auf einen kurzen Bereich unmittelbar
hinter der Oberflächenmeßstelle beschränkt ist, ist die Flexibilität des Mantelthermomaterials
im Bereich hinter dieser formstabilen Isolation wieder voll gegeben. Dadurch läßt
sich das Oberflächenthermoelement auch in sehr beengten Platzverhältnissen, beispielsweise
in einer dünnen Wandung verlegen, wobei das letzte Stück des Mantelthermomaterials
rechtwinklig zur Oberfläche der Wandung abgekröpft werden kann, wobei die Oberflächenmeßstelle
bündig zur Wandungsoberfläche liegt. Auf diese
Weise lassen sich
auch mehrere Oberflächenmeßpunkte mit unterschiedlichen Öberjlächenthermoelementen
bestücken.
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Wegen der hohen thermischen Beitastbarkeit der Isolation 4 bzw. 7
als auch wegen der hohen mechanischen Belastbarkeit können die Oberflächenthermoelemente
druckdicht in.
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die Oberfläche von Wandungen eingelassen werden. Beispielsweise wurden
mit derartigen Oberflächenthermoelementen Temperaturmessungen in Brennräumen von
Brennkraftmaschinen durchgeführt. Die Druckpulsationen konnten von den Oberflächenthermoelementen,
insbesondere auch von der formstabilen Isolation 7 und dem dünnen sie überspannenden
Metallbelag 6 ohne weiteres ertragen werden.