DE4302146A1

DE4302146A1 - Widerstandsthermometer

Info

Publication number: DE4302146A1
Application number: DE19934302146
Authority: DE
Inventors: Gerhard Desor; Peter Heuer
Original assignee: SCHRAMM GmbH
Current assignee: SCHRAMM GmbH
Priority date: 1993-01-27
Filing date: 1993-01-27
Publication date: 1994-07-28

Description

Die Erfindung betrifft ein Widerstandsthermometer nach dem Oberbegriff des Patent anspruchs 1.

Für die exakte Messung von Temperaturen zwischen -200°C und 650°C werden häufig Widerstandsthermometer eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Thermometer, bei denen die Temperaturabhängigkeit eines elektrischen Widerstands für die Ge winnung eines Meßwerts ausgenutzt wird. Ein Widerstandsthermometer weist in der Regel einen Meßwiderstand auf, der sich in einem Meßeinsatz befindet, und dieser gegebenenfalls einem Schutzrohr, dem ein elektrisches Meßgerät zum Nachweis der Widerstandsänderung, im einfachsten Fall ein Kreuzspulinstrument, nachgeschaltet ist. Der elektrische Widerstand bei der Temperatur R, R_R, beträgt R_δ = R_o [1 + a (R- R_o) + b (δ-δ_o)²]. Dabei ist R_o der Widerstand an der unteren Meßgrenze, d. h. bei der Temperatur 60, z. B. 0°C, a und b sind Konstanten. b ist bei Metallen, insbeson dere bei Platin und Nickel, sehr klein, weshalb die statische Kennlinie fast linear ver läuft. In Deutschland gibt es spezielle Normen für sogenannte PT-100-Widerstands thermometer, vgl. DIN 43760 oder JEC-751.

Herkömmliche Widerstandsthermometer werden mit bis zu drei Meßwiderständen geliefert. Die Meßstelle ist hierbei isoliert und mit einem metallischen Schutzrohr umgeben. Für erhöhte mechanische Ansprüche werden diese Widerstandsthermometer bzw. Meßeinsätze heute überwiegend aus metallummantel ten Kabeln mit zwei oder mehreren isolierten Innenleitern, den sogenannten mineral isolierten Mantelleitungen, hergestellt. Man nennt diese Widerstandsthermometer deshalb "Mantel-Widerstandsthermometer". Die Isolierung der Leiter erfolgt in der Regel durch pulverisierte hochverdichtete Keramiken, die in die Schutzrohre eingeführt sind. Am Ende der Drähte, also dort, wo der eigentliche Meßwiderstand angeschlossen ist, ist der von einer Metallkappe umschlossene Hohlraum mit einem isolierenden Keramikpulver ausgefüllt.

Diese letztgenannte Isolierung erfüllt in den meisten Fällen, vor allem bei Fühlern mit zwei Meßkreisen, nicht die Anforderungen für den Einsatz des Mantel-Meß widerstandsthermometers in explosionsgefährdeter Umgebung. Diese Anforderungen für EExi-Meßkreise sind in den Vorschriften DIN VDE 170/171/EN 50020 sowie in der NAMUR-Richtlinie Nr. 24 niedergelegt. Hiernach sollen Mantel-Widerstands thermometer mit einem Durchmesser von 6 mm und mit einem oder zwei Platin PT-100-Meßkörpern vorgegebene Mindest-Isolationswiderstände und Abstände der stromführenden Leiter aufweisen.

Bei Thermoelementen ist es bereits bekannt, die einzelnen Elemente ganz oder teil weise in Kunststoff einzubetten (US-PS 2 233 408). Im einzelnen ist hierbei ein Meß fühler mit zwei Thermoschenkeln vorgesehen, die mit einer die Thermoschenkel um gebenden, hochhitzebeständigen Ummantelung versehen sind. Die Ummantelung be steht aus einem Rohr, das zwei Führungskanäle enthält, in denen jeweils ein Thermo schenkel verläuft, der am Ende der Ummantelung und im Anschluß an die Führungs kanäle des Meßfühlers mit jeweils anderen Thermoschenkeln verbunden ist.

Weiterhin ist es bekannt, bei einer Einrichtung der vorstehend beschriebenen Art den Raum vor den Führungskanälen des Meßfühlers mit einem SiO₂-freien Füllmittel zu verschließen (DE-OS 40 18 924, Fig. 3a-4c).

Diese bekannten Einrichtungen sind jedoch für Thermoelemente und nicht für Man telwiderstandsthermometer geeignet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Mantel-Widerstandsthermo meter zu schaffen, das eine Isolierung aufweist, die auch den erhöhten Anforderun gen in explosionsgefährdeter Umgebung genügt.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesondere darin, daß die beim An schluß der PT-100-Meßkörper freigelegten Mantel-Innenleiter zwischen Meßkörper und Mineral-Isolation mit einer im plastischen Zustand aufgebrachten Isoliermasse überzogen wird, die nach Aushärten einen hohlraumfreien und massiven Isolier körper bildet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 einen Widerstandsthermometer-Meßeinsatz;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch eine herkömmliche Isolation eines Widerstandsthermometer-Meßeinsatzes;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Meßeinsatz mit der erfindungsgemäßen Isolation der Leiter und Meßwiderstände;

Fig. 4 einen Querschnitt durch eine Vorrichtung gemäß Fig. 3.

In der Fig. 1 ist ein Mantelwiderstandsthermometer-Meßeinsatz 1 dargestellt, der in der Regel über zusätzliche Schutzrohre beispielsweise in Flüssigkeit oder in ein Gas eingeführt wird, um die dort herrschende Temperatur zu messen. Dieser Widerstands thermometer-Meßeinsatz 1 weist eine Hülse 2 aus Edelstahl mit einem Durchmesser von 6 mm auf, die über eine Metallplatte 3 und eine Platte 4 aus Pappe an einem Ke ramik-Sockel 5 angeflanscht ist. Dieser Keramik-Sockel 5 besitzt auf seiner Untersei te vier Schrauben, von denen nur zwei Schrauben 6, 7 in der Fig. 1 zu erkennen sind. Mit diesen Schrauben 6, 7 sind vier Leitungsdrähte 8, 9, 60, 61 verbunden. Neben den Schrauben 6, 7 sind zwei weitere Schrauben 10, 11 dargestellt, die durch Hülsen 12, 13 gesteckt sind und mit ihren Enden 14, 15 aus der Metallplatte 3 herausragen. Um die Hülsen 12, 13 herum sind Federn 16, 17 geschlungen, die sich einerseits auf der Unterseite der Platte 3 und andererseits auf unteren Wulsten 18, 19 der Hülsen 12, 13 abstützen, Obere Wulste 20, 21 der Hülsen 12, 13 liegen auf der Oberseite der Platte 3 auf. Die vier Leitungsdrähte 8, 9, 60, 61 führen in das Innere der Hülse 2, wo sie in eine Keramik(Mineral)-Isolation eingehüllt sind.

Im oberen Bereich 25 der Hülse 2 befindet sich der eigentliche Meßwiderstand.

Die Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch den oberen Bereich 25 eines herkömmlichen Mantel-Widerstandsthermometers. Man erkennt hierbei auch noch einen Teil des un teren Bereichs 26 der Mantel-Leitung. Die Schweißverbindung zwischen oberem und unterem Bereich ist mit 27 bezeichnet. In dem unteren Bereich 26 sind vier in ver dichtetem Mineralpulver eingebettete Innenleiter 28, 29, 30, 31 zu erkennen, deren freigelegte Enden ein Stück in den oberen Bereich 25 hineinragen und über An schlußdrähte 32, 33, 34, 35 mit PT-100-Meßkörpern 36, 37 verbunden sind. Diese Meßkörper 36, 37 weisen eine Keramikhülle auf, in der sich der - nicht dargestellte - Meßwiderstand aus Platin oder auch anderem Material befindet. Die Innenleiter 28, 29, 30, 31 sind die den Leitungsdrähten 8, 9, 60, 61 gemäß Fig. 1 gegenüberliegen den Enden derselben Leitungen.

Die Innenleiter 28 bis 31 sind in einer mineralischen Isolation 38 eingebettet, bei der es sich um eine in der Elektrotechnik verbreitete Keramik handeln kann. Der obere Teil der Innenleiter 28 bis 31, die Anschlußdrähte 32 bis 35 und die Meßkörper 36, 37 sind von Isolierpulver 40 umgeben.

Bei der Herstellung des herkömmlichen Mantel-Widerstandsthermometers werden zunächst die Innenleiter 28 bis 31 im oberen Teil 26 der Mantelleitung durch Beseiti gen der Mineralisolation freigelegt. Sodann werden die Anschlußdrähte 32 bis 35 der Meßwiderstände mit den Innenleitern 28 bis 31 verschweißt bzw. verlötet. Anschlie ßend wird der obere Bereich 25, der eine Hülse ist, auf den unteren Bereich 26 aufge stülpt, und beide Teile werden an der Nahtstelle 27 miteinander verschweißt. Hierauf wird das Isolierpulver 40 eingefüllt und zuletzt ein Deckel 41 mit dem Rand 42 der Hülse 25 verschweißt.

Das Isolierpulver 40, welches die freiliegenden Anschlußdrähte 32 bis 35 umgibt, dient zur mechanischen Stabilisierung der Drähte 32 bis 35 und der Meßkörper 36, 37 sowie zur Wärmeübertragung, d. h. die außen an der Kappe 25 existierende Tem peratur, die gemessen werden soll, wird durch das Pulver 40 beschleunigt zu den Meßkörpern 36, 37 geleitet. Als geeignet für diese Zwecke haben sich Al₂O₃- bzw. MgO-Pulver erwiesen. Für die erforderliche elektrische Isolation der Drähte 32 bis 35 bei explosionsgefährdeter Umgebung reicht der Isolationswert eines solchen Pulvers jedoch nicht aus.

In der Fig. 3 ist die erfindungsgemäße Isolation dargestellt, die die Anforderungen er füllt, welche die Vorschriften DIN VDE 170/171/EN 50020 bzw. die NAMUR- Richtlinie Nr. 24 stellen.

Diejenigen Teile der Vorrichtung gemäß Fig. 3, die auch in der Vorrichtung gemäß Fig. 2 vorhanden sind, sind mit denselben Bezugszahlen versehen.

Die Herstellung des erfindungsgemäßen Mantel-Widerstandsthermometers erfolgt zunächst auf die gleiche Weise wie bei dem bekannten Thermometer, d. h. es werden zunächst die oberhalb der Mineralisolation freigelegten Innenleiter 28 bis 31 der Mantelleitung 26 mit den Anschlußdrähten 32 bis 35 verlötet bzw. verschweißt.

Sodann wird jedoch eine dünnflüssige Isolierpaste 50 auf die hervorstehenden Innen leiter 28 bis 31 und auf die Anschlußdrähte 32 bis 35 sowie auf die Mineralisolation 38 und auf die Keramikhülle 36-37 aufgebracht und ausgetrocknet. Nachdem die Isolierpaste 50 getrocknet ist, wird eine zweite und dickere viskose Schicht 51 der gleichen Paste aufgetragen, welche die hervorstehenden Innenleiter 28 bis 31, die Anschlußdrähte 32 bis 35 und die Meßkörper 36, 37 bis etwa zur Hälfte mehrere Millimeter umschließt. Beide Schichten werden abschließend unter Wärmeeinwir kung erhitzt, um die vorhandene Restfeuchtigkeit zu beseitigen. Die beiden Schichten bestehen vorzugsweise aus einem Keramik-Kleber, der auch für über +600°C hin ausgehende Betriebstemperaturen absolut beständig ist.

Bei der Isolierpaste 50, 51 handelt es sich beispielsweise um ein Zweikomponenten- System auf Zirkon-Basis (ZrO₂). Ein solcher Kleber ist für ultrahohe Gebrauchstem peraturen geeignet. Er verbindet zahlreiche verschiedene Materialien miteinander, beispielsweise Glas, Keramik, Graphit und Metall. Außerdem ist er beständig gegen über Oxidations- und Reduktions-Atmosphäre. Der Schmelzbereich liegt bei etwa 2315°C, wobei die maximale Gebrauchstemperatur bei ca. 2200°C liegt. Die Wärmeleitfähigkeit beträgt ca. 1,3 Watt/m°C, während die dielektrische Festigkeit bei 8,8 KV/mm liegt. Der Durchgangswiderstand ist 10¹⁰ Ohm/cm. Ein solcher Kleber, der z. B. aus 100 Gewichtsteilen Pulver mit 44 Gewichtsteilen Flüssigbinder zu einer cremigen Paste gemischt wird, härtet bei 260°C in etwa einer Stunde aus. Die Paste 50 wird mit mehr und die Paste 51 mit weniger Flüssigbinder angerührt.

Die Anschlußdrähte 32 bis 35 sowie die Leiter 28 bis 31 sind blank und werden nur durch die Paste isoliert. Die erste, dünnflüssige Paste haftet spaltfrei an den angren zenden Isolatoren, so daß sich keine Trennspalte bilden kann, über die Strompfade zwischen den Leitern 29 bis 30 entstehen können, was bei der dickflüssigen Paste leicht nicht auszuschließen wäre.

Nachdem auch die beiden Keramik-Schichten getrocknet und zu einem festen Körper ausgehärtet sind, wird in bekannter Weise der obere Bereich 25 mit Al₂O₃- oder MgO-Isolierpulver 40 aufgefüllt und durch den Deckel 41 verschlossen.

In der Fig. 4 ist ein Querschnitt durch den oberen Bereich 25 dargestellt. Man erkennt hierbei die Meßkörper 36, 37, die Innenleiter 28 bis 31 sowie die Anschlußdrähte 32 bis 35. Das Isolierpulver 40 und die Isolierpasten 50, 51 sind hierbei nicht dargestellt.

Die Keramik 38 enthält MgO und/oder Al₂O₃. Bekannte MgO-Zusammensetzungen dieser Keramik 38 bestehen beispielsweise aus < 99,4 MgO sowie 0,019 Al₂O₃; 0,02 CaO; 0,018 Fe₂O₃; 0,02 SiO₂ und B, Cd, S < 10 ppm; 50 ppm C. Hochreine Al₂O₃- Zusammensetzungen enthalten 0,08 MgO; 99,8 Al₂O₃; 0,004 CaO; 0,009 Fe₂O₃; 0,08 SiO₂; B, Cd, S < 10 ppm; 20 ppm C. Die Dichte von MgO- bzw. Al₂O₃-Zusam mensetzungen liegt bei 3,65 bzw. 3,98 g/cm³, während der Schmelzpunkt bei 2800 bzw. 2030°C liegt. Weitere Werte sind: Spezifische Wärme: 1,03 (MgO-V) bzw. 0,95 (Al₂O₃-V) J/gK; Spezifischer elektrischer Widerstand bei 20°C: 5 × 10¹⁶ bzw. 1 × 10¹⁴ Ohm · m. Die Isolationsmaterialien sind stark hygroskopisch. An einem un verschlossenen Kabelende kann das mineralische Pulver schon innerhalb weniger Minuten Feuchtigkeit aus der umgebenden Atmosphäre aufnehmen, so daß der Isola tionswiderstand Ader/Mantel bzw. Ader/Ader um mehrere Zehnerpotenzen abfällt. Sofern Feuchtigkeit eingedrungen ist, kann diese durch Erwärmen des betreffenden Kabelendes von der Mitte zum Ende hin - z. B. mit einem Bunsenbrenner - herausge trieben werden.

Das Isoliermaterial der Meßkörper 36, 37 besteht z. B. aus 99,7% Al₂O₃ und ent spricht damit dem Typ DIN VDE 0335. Es wird u. a. von der Fa. W. Haldenwanger, Technische Keramik GmbH & Co. KG, Pichelswerderstraße 12, D-1000 Berlin 20, unter dem Namen Alsint hergestellt.

Claims

1. Widerstandsthermometer mit

1.1 einer Hülse (26);
1.2 isolierten elektrischen Leitern (28 bis 31), die in der Hülse (26) verlaufen;
1.3 einem Meßkörper (36, 37);
1.4 elektrischen Verbindungsleitungen (32 bis 35) zwischen den elektrischen Leitern (28 bis 31) und dem Meßkörper (36, 37);
gekennzeichnet durch
1.5 eine erste Schicht (50) aushärtbarer Isoliermasse über den Verbindungsleitungen (32 bis 35) und den Enden der elektrischen Leiter (28 bis 31);
1.6 eine zweite Schicht (51) aushärtbarer Isoliermasse über den Verbindungsleitun gen (32 bis 35) und den Enden der elektrischen Leiter (28 bis 31) sowie über einem Teilbereich der Meßkörper (36, 37).

2. Verfahren zur Herstellung eines Widerstandsthermometers nach Anspruch 1, ge kennzeichnet durch folgende Schritte:

2.1 auf den Verbindungsleitungen (32 bis 35) und den Enden der elektrischen Leiter (28 bis 31) wird eine dünne erste Schicht (50) eines viskosen Isoliermaterials aufge bracht und ausgehärtet;
2.2 auf die dünne erste Schicht (50) wird nach der Aushärtung eine zweite dicke Schicht (51) aufgetragen und beide Schichten dann unter Wärmeeinwirkung zur Aus härtung gebracht und getrocknet.

3. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Leiter (28 bis 31) in eine feste Keramikmasse (38) eingebettet sind, die an den angrenzenden Isolatoroberflächen fest haftet.

4. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (26) aus einem Metall besteht.

5, Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über der zweiten Schicht (51) ein Isolierpulver (40) aufgebracht ist.

6. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1 und Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß die zweite Schicht (51) glockenförmig aufgebracht ist, so daß das Iso lierpulver (40) sowohl den oberen Bereich der Meßkörper (36, 37) umgibt als auch bis zur Hülse (25) im Bereich des oberen Teils der elektrischen Leiter (28 bis 31) reicht.

7. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehre re Meßkörper (36, 37) vorgesehen sind.

8. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Schicht (50) dünn und die zweite Schicht (51) dick ist.

9. Widerstandsthermometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehre re Hülsen (25, 26) vorgesehen sind.

10. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Schicht (50, 51) aus den gleichen Materialien bestehen.

11. Widerstandsthermometer nach Anspruch 1 und Anspruch 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die beiden Schichten (50, 51) Zweikomponentenkleber auf Zirkon- Basis (ZrO₂) sind.