DE3411332C2 - Verfahren zum Herstellen eines Oberflächenthermoelementes - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Oberflächenthermoelementes. Bei diesem sind die beiden Leiter elektrisch isoliert bis in den unmittelbaren Bereich der Oberflächenmeßstelle geführt und enden dort stumpf und zueinander bündig und bilden eine ebene Stirnfläche, die mit einem hauchdünnen Metallbelag versehen ist, der die beiden Leiter elektrisch miteinander verbindet. Um derartige Oberflächenthermoelemente möglichst einfach und möglichst billig herstellen zu können, wird als Ausgangsmaterial ein an sich bekanntes Mantelthermomaterial verwendet, bei dem die keramische Pulverisolation im Bereich der zu schaffenden Oberflächenmeßstelle mittels eines eingetränkten Binders zu einer formstabilen Isolation verklebt wird. In diesem Bereich wird dann eine ebene Stirnfläche angeschliffen, auf die der Metallbelag aufgedampft wird. Zweckmäßigerweise wird als Bindemittel Wasserglas verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Oberflächenthermoelementes nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE-OS 16 48 219 als bekannt hervorgeht.

Bei dem bekannten Oberflächenthermoelement besteht der die beiden Leiter elektrisch leitend verbindende metallische Belag aus einer dünnen Metallfolie, die auf die ebene Stirnfläche des Mantelthermomaterials aufgelötet wird, wobei das Lot aufgrund einer Kapillarwirkung an den Umfangsseiten des Thermodrahtes von der Trennstelle axial hochkriecht. Das bekannte Oberflächenthermoelement hat eine Ansprechzeit von 5 bis Millisekunden. Diese Ansprechzeit ist jedoch für manche Anwendungsfälle viel zu lang. Eine Angabe über die Art des verwendeten Mantelthermomaterials ist in der obengenannten DE-OS nicht gemacht. Ein Mantelthermomaterial mit keramischer Pulverisolation der Leiter 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 Verarbeitung dieses Mantelthermomaterials zu üblichen Thermoelementen ist es auch genormt (DIN 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 auch für ein Oberflächenthermoelemenr geeignet Aufgrund der Palverisolation und einer relativ großen Isolationsschichtdicke von etwa gleicher Größenordnung wie der Durchmesser der Leiter selber ist ein solches Mantelthermomaterial olme weiteres wie ein Draht biegbar, ohne daß die Isolation verletzt oder durchstoßen würde. Auch Mehrfachbiegungen sind zulässig. Aus diesem Grunde ist ein daraus hergestelltes Oberflächenthermoelement auch in beengten Einbauverhälüüssen unterzubringen. Wegen des einfachen Herstellungsverfahrens des Mantelthermomaterials und seines hohen Verbreitungsgrades ist das Ausgangsmaterial zur Herstellung der Oberflächenthermoelemente sehr preiswert, was sich auch auf den Endpreis des herzustellenden Oberflächenthermoelementes günstigt auswirkt. Wegen der großen Isolationsstärke zwischen den Leitern kann die Isolation nicht durch Grate, die beim Planschleifen der Stirnfläche des Manteithermomaterials entstehen, überbrückt werden. Es läßt sich also mit relativ einfachen Mitteln eine einwandfreie Stirnfläche anbringen.

Es sind auch trägheitsfrei arbeitende 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 um starke massive und spröde Isolationsschicht voneinander getrennt sind, im Bereich der Stirnfläche der beiden Leiter ist ein metallischer Belag von etwa 1 μΐη Stärke aufgebracht, der eine extrem geringe Wärmeübertragung beinhaltet und aufgrund dessen erlaubt, Oberflächentemperaturen bzw. ihre zeitliche Veränderung tr?„;jheitsfrei zu messen. Ansprechzeiten von etwa 1 Microsekunde sind mit einem solchen Oberflächenthermoelement realisierbar. Die Isolationsschicht ist nicht nur 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. Die Sprödigkeit des Isolationsmaterials ist mit Rücksicht auf den Temperatureinsatz bei sehr hohen Temperaturen bedingt Die bekannten Oberflächenthermoelemente sind daher nur als kleine nicht biegsame 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 Oberflächentemperatur-Messungen. Ein weiterer Nachteil der bekannten trägheitsfrei arbeitenden Oberflächenthermoelemente ist, daß diese sehr teuer sind, beispielsweise 1000,— DM pro Stück, kosten. Dieser extrem hohe Preis ist nur dadurch erklärbar, daß bei dem Herstellungsverfahren ein unverhältnismäßig hoher Ausschußanteil anfällt und nur ein sehr geringer Prozentsatz der Produkti-

on 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 Verschmutzung überzogen haben. Bei dem Versuch, derartige die Messung beeinträchtigenden festhaftenden Verschmutzungen zu beseitigen, wird meist auch der sehr dünne metallische Belag beschädigt.

Eine Erneuerung des metallischen Belages selber ist meist illusorisch, weil bei dessen Abtragen Grate an den Rändern der elektrischen Leiter entstehen, die die sehr dünne Isolation überbrücken und dadurch die Meßempfindlichkeit des erneuerten Oberflächenthermoelementes beeinträchtigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für ein Oberflächenthermoelement der eingangs genannten An anzugeben, mit welchem trägheitsfrei arbeitende Oberflächenthermoelemente mit geringer Ausschußquote ohne weiteres hergestellt werden können und welches zu Oberflächenthermoelementen führt, die biegsam und somit auch in beengten Einbauverhältnissen ohne weiteres verwendbar sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst Dank des Verklebens der Pulverisolation im unmittelbaren Bereich der Trennstelle zu einer kompakten formstabilen Masse kann eine glatte tragende Oberfläche auch irn Isolationsbereich angeschiiffen werden, auf die ein sehr dünner Metallbelag aufgedampft werden kann, der definiert und reproduzierbar nur an der Stirnseite der Leiter anliegt Das auf diese Weise hergestellte Oberflächenthermoelement kann bedarfsweise auch erneuert d. h. der alte Belag abgeschliffen und die Stirnseite neu bedampft werden. Beim Schleifen unvermeidbarerweise entstehende Grate stören nicht, weil sie die Isolation nicht zu überbrücken vermögen.

Die Erfindung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigt

F i g. 1 ein MaBtelthermomaterial in stark vergrößerter Darstellung und den Vorgang des Tränkens der Pulverisolation mit einem Bindemittel,

Fig.2 das mit einer ebenen Stirnfläche versehene Mantelthermoelement, dessen Isolation im Endbereich zu einem formstabilen Körper ausgehärtet ist und

Fig.3 das fertige Oberflächenthermoelement nach dem Aufbringen eines Metallbelages auf die Stirnseite.

In den Figuren ist ein Mantelthermomaterial 1 in Zweileiterausführung mit einem ersten Leiter 2 und einem zweiten Leiter 3 gezeigt, die parallel nebeneinander liegend im Innern eines Mantels 9 angeordnet sind. Der Zwischenraum zwischen den beiden Leitern und dem Mantel 9 ist durch eine Pulvcrisolation 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 Trennstei'e 10 des Mantelthermomaterials herauszurieseln. Derartige Mantelthermomaterialien sind mit Außendurchmessern D von 0,25 mm bis 2,0 mm und mehr handelsüblich. Die Isolationsstärken Jt 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.

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 aushärtbarem Bindemittel getränkt, wobei das Bindemittel durch Kapillarwirkung eine Strecke weit 1 in das Innere des Mantelthermomaterij'j axial hineinkriecht. Durch Lufttrocknung, durch Erhitzung oder durch chemische Reaktion kann das Bindemittel ausgehärtet 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 Lm ausgehärteten Zustand elektrisch isolierend wirken. Als ein brauchbares und preiswertes Bindemittel, welches die oben aufgezeigten Eigenschaften bis über 1000° C

so 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 F i g. 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 hängengeblieberrist

Nach dem Aushärten des Biiw&mittels und Bildung einer formstabilen Isolation auf der Linge 1, die mindestens dem Durchmesser D des Mantelthermomaterials, vorzugsweise aber einem Mehrfachen davon entspricht, werden die durch das Durchtrennen des Mantelthermomaterials im Bereich der Trennstelle 10 entstandenen Formabweichungen durch Schleifen abgetragen und es wird eine ebene Stirnfläche 5 angebracht, 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 F i g. 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 aber ohne weiteres feine Schleifmethoden angewandt werden, die eine relativ hohe Abtragsleistung haben.

Ausgehend von diesem Zustand wird nun em metall! ■ scher Belag 6 aufgedampft, dessen Bedampfungsstärke b etwa in der Größenordnung von 1 μπι liegt und in F i g. 3 übertrieben stark dargestellt ist Wegen dieser geringen Schichtdicke ist das Oberflächenthermoelement besonders trägheitsarm. Wegen der leichten Anbringbarkeit der Stirnfläche 5 gemäß dem Zustand in F i g. 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.

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 formstibilen Isolation wieder voll gegeben. Dadurch läßt sich das Oberflächenthermoelement auch in sehr beengten Platzverhältnissen, beispielsweise in einer dünnen Wandung verlegen, wobei das 'stzte 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 Oberflächenthermoelementen bestücken. Wegen der hohe.i thermischen Belastbarkeit der lsolation 4 bzw. 7 als auch wegen der hohen mechanischen Bejastbarkeit können die Oberflächenthermoelemente druckdicht in 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 den dünnen sie überspannenden Metallbelag 6 ohne weiteres ertragen werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Herstellen eines Oberflächenthermoelementes,

bestehend aus zwei elektrisch zueinander isolierten, parallel bis zur Oberflächenmeßstelle verlaufenden elektrischen Leitern unterschiedlich legierten Werkstoffs, die beide einschließlich der Isolation an der Oberflächenmeßstelle stumpf und zueinander bündig unter Bildung einer ebenen Stirnfläche endigen, die mit einem gegenüber dem Durchmesser der Leiter wesentlich dünneren metallischen Belag versehen ist, der die Isolation überspannt und beide Leiter elektrisch leitend verbindet,

bei welchem Verfahren als Ausgangsmaterial ein Mantelthermomaterial verwendet, dieses im Bereich der zu schaffenden Oberflächenmeßstelle durchgetrennt und dort die ebene Stirnfläche daran angeschliffen vsd bei dem die Stirnfläche mit dem metallischen Belag versehen wird,
dadurch gekennzeichnet, daß als Mantelthermomaterial ein solches mit keramischer Pulverisolation der Leiter verwendet wird, daß die Pulverisolation (4) im Bereich der Trennstelle vor dem Anschleifen der ebenen Stirnfläche (10) auf einer wenigstens dem Durchmesser (D) des Mantelthermomaterials (I) entsprechenden Länge (I) durch Tränken mit einem dünnflüssigen Bindemittel (8) und dessen anschließendem Aushärten zu einer formstabilen Isolation (7) verklebt wird und daß der metallische Belag in einer Schichtstdrke (b)\on etwa einem Mikrometer aufgedampft wird.

2. Verfahren nach Anspruc: 1, dadurch gekennzeichnet, daß als dünnflüssiges Bindemittel (8) Wasserglas verwendet wird.