DE8409435U1 - Oberflächenthermoelement - Google Patents

Description

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Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 15 668/4

Stuttgart-Untertürkheim G 84 09 435.4

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Die Neuerung·- betrifft ein

Oberflächenthermoelement nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE-OS 16 48 219 als bekannt hervorgeht.

Bei dem bekannten Oberflächenthermoelement wird ein Mantelthermomaterial vorsichtig mit einer kleinen Trennscheibe quer abgetrennt und dabei die ebene Stirnfläche gebildet. Das dabei verwendete 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 Verarbeitung dieses Mantelthermomaterials zu üblichen Thermoelementen 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

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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 S für ein Oberflächenthermoelement 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 zulässig. Aus diesem Grunde ist eia daraus hergestelltes Oberflächenthermoelement auch in beengten Einbauverhältnissen unterzubringen. Wegen des einfachen Herstellungsverfahrens des Mantelthermomaterials und seines höhen Verbreitungsgrades 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 den Leitern kann die Isolation nicht durch Grate, die beim Planschleifen der Stirnfläche des Mantelthermomaterials entstehen, überbrückt werden. Es läßt sich also mit relativ ein fachen Mitteln eine einwandfreie Stirnfläche anbringen. Auf die solcherart gebildete Stirnfläche wird zur Bildung des bekannten Oberflächenthermoelementes eine Metallfolie auf££- lötet, wobei das Lot aufgrund einer Kapillarwirkung an den Umfangsseiten des Thefmodrahtes von der Trennstelle axial hochkriecht. Das bekannte Oberflächenthermoelement hat eine Ansprechzeit von 5 bis 10 Millisekunden. Diese Ansprechzeit ist jedoch für manche Anwendungsfälle viel zu lang.

Zwar sind trägheitsfrei arbeitende Oberflächenthermoelemente beispielsweise aus Firmensprospekten der Herstellerfirmen

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solcher Oberflächenthermoelemente bekannt, jedoch geht aus diesen das Herstellungsverfahren nicht als bekannt hervor. In jedem Fäll handelt es sich um Oberflächenthermoelemente, bei denen die beiden elektrischen Leiter konzentrisch ineinander liegen und nur durch eine etwa 12 pm starke massive und spröde Isolationsschicht voneinander getrennt sind. Im Bereich der Stirnfläche der beiden Leiter ist ein metallischer Belag von etwa 1 um Stärke aufgebracht, der eine extrem geringe Wärmeträgheit beinhaltet und aufgrund dessen erlaubt, Oberflächentemperaturen bzw. ihre zeitliche Veränderung trägheitsfrei zu messen. Ansprechzeiten von etwa 1 Microsekunde sind mit einem solchen Oberflächenthermoelement realisierbar. Die Isolationsschicht ist nicht nur sehr dünn, sondem 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 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 Oberflächentemperatur-Messungen. Ein weiterer Nachteil der bekannten trägheitsfrei arbeitenden Oberflächenthermoelemente, ist, daß diese sehr teuer sind, beispiels weise 1.000.— DM pro Stück kosten. Dieser extrem hohe Preis ist nur dadurch erklärbar, daß bei dem Herstellungsver verfahren ein unverhältnismäßig hoher Ausschußanteil anfällt

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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 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 Neuerung ist es, das bekannte Oberflächenthermoelement dahingehend zu verbessern, daß es die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, ihre Vorteile aber kombiniert, ZC welches also trägheitsfrei arbeitet und einfach sowie mit geringer Ausschußquote herstellbar ist; welches außerdem biegsam und somit auch in beengten Einbauverhältnissen ohne weiteres verwendbar ist.

Diese Aufgabe wird jaeuerungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst. Dank des Verklebens der Pulverisolation im unmittelbaren Bereich der Trenn-* stelle zu einer kompakten formstabilen Masse kann eine glatte tragende Oberfläche auch im Isolationsbereich angeschliffen werden, auf die ein sehr dünner Metallbelag

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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 Neuerung ist anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles nachfolgend noch kurz erläutert; dabei zeigen

Figur 1 ein Mantelthermomaterial in stark ver

größerter Darstellung und den Vorgang des Tränkens der Pulverisolatoren mit einem Bindemittel,

Figur 2 das mit einer ebenen Stirnfläche ver

sehene Mantelthermomaterial, dessen Isolation im Endbereich zu einem formstabilen Körper ausgehärtet ist und

Fig. 3 das fertige Oberflächenthermoele-

rnent 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 ff

zwischen den beiden Leitern und dem Mantel 9 ist durch ei- | ne Pulverisolation 4 aus Keramikpulver ausgefüllt. Dieses $ Pulver läßt sich bei Verbiegungen des Mantelthermomaterials § zwar deformieren, ist jedoch im Ruhezustand fest genug ge- y preßt, um nicht frei an einer Trennstellfi 10 des Mantel- § thermomaterials herauszurieseln. Derartige Mantelthermo- ;| materialien sind mit Außendurchmessern D von 0,25 mm bis |

2,0 mm und mehr handelsüblich. Die Isolationsstärken k ξ

betragen etwa 60% des Durchmessers d der beiden Leiter 2 f und 3 bzw. der Wandstärke s des Mantels 9. Diese Relation h 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 mögliehst 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

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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 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.

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, können 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

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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.

Ausgehend von diesem Zustand wird nun ein metallischer Belag 6 aufgedampft, dessen Bedampfungsstärke b etwa in der Größenordnung von 1 pn liegt und in Fig. 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 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.

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

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Weise lassen sich auch mehrere Oberflächenmeßpunkte mit unterschiedlichen Oberflächentherjfloelementen bestücken. Wegen der hohen thermischen Belastbarkeit der Isolation bzw. 7 als auch wegen der hohen mechanischen Belastbarkeit 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 dem dünnen sie überspannenden Metallbelag 6 ohne weiteres ertragen werden.

Claims (2)

Daimler-Benz Aktiengesellschaft Daim 15 668/4 Stuttgart G84 09 435.4 25. Aug. 1986 EPT pö-re Schutzansprüche

1. Oberflächenthermoeleraent bestehend aus einem Mantelthermomaterial mit zwei elektrisch zueinander mittels einer Pulverisolation isolierten, parallel bis zur Oberflächenm-sjßstelle 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.

dadurch gekennzeichnet, daß die Pulverisolation (4) im Bereich der ebenen Stirnfläche (10) auf einer wenigstens dem Durchmesser (4) des Mantfelthermomaterials (1) entsprechenden Länge (Maß U mittels eines aushärtbaren Bindemittels (8) als ein formstabiler Isolator (7) ausgebildet ist und daß der metallische Belag als Metalldampfbelag in einer Schichtstärke (b) von etwa einem Mikrometer ausgebildet ist.

2. Thermoelement nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel (8) Wasserglas ist.