DK171801B1 - Sensor til måling ved elektrisk opvarmning - Google Patents

Description

DK 171801 B1 i

Opfindelsen angår en sensor af måling af egenskaber hos mange slags fluida ved den såkaldte elektriske opvarmningsmåling.

5 Betegnelsen fluidum er i denne sammenhæng anvendt i sin bredeste betydning og kan f.eks. være en gas, en væske eller et fast stof som f.eks. pulver eller en blanding af to eller flere af disse substanser såvel som et fluidum af den type, hvis fase ændres med tiden.

10 I japansk patentansøgning nr. 62(1987)-56849 har opfinderne i nærværende ansøgning allerede beskrevet en sensor som følger.

15 En sensor til måling ved elektrisk opvarmning har en kernestang dækket med et elektrisk isolerende element, en tynd metaltråd viklet omkring kernen og et elektrisk isolerende element, som dækker den tynde metaltråd.

20 I den nævnte kendte sensor er den tynde metaltråd flere gange længere end sensoren, da den tynde metaltråd er viklet omkring kernestangen. Sensoren har hermed nogle fordele, som f.eks., at den elektriske resistans øges med trådens længde, og der kan derfor med en lille elek-25 trisk strøm opnås en stor varmeflux per længdeenhed af sensorproben. Endvidere brækkes eller bøjes sensoren ikke let.

Fordi den tynde metaltråd er viklet som en skruelinie på 30 kernestangen, kan der på den anden side optræde mekaniske spændinger i tråden. Der er således den ulempe, at når der foretages en udglødning for at forhindre de mekaniske spændinger, ændres trådens elektriske resistans kraftigt fra begyndelsen og vil variere signifikant med 35 2 DK 171801 B1 tiden.

Ændringen af elektrisk resistans for hver sensor er forskellig fra de andre sensorer, og det er således vanske-5 ligt at fastlægge en specifik værdi fælles for alle sensorer .

Det er derfor vanskeligt at producere en sensor med en ønsket elektrisk resistans og efterbehandling. Sensoren 10 er ikke udskiftelig, fordi hver sensor har en forskellig elektrisk resistans, og sammenhængen mellem elektrisk resistans og materialeegenskaber må derfor fastlægges individuelt for hver enkelt sensor.

15 Resumé af opfindelsen

Det er derfor et formål med den foreliggende opfindelse at tilvejebringe en sensor uden mekaniske spændinger i en tynd metaltråd og med en elektrisk værdi, der er kon-20 stant med tiden efter udglødning.

Opfindelsens formål opnås med en sensor som angivet i krav 1.

25 I modsætning til den traditionelle sensor, der er dannet ved at vikle en tynd metaltråd omkring en kernestang optræder der ved den foreliggende opfindelse ikke mekanis-30 ke spændinger i den tynde metaltråd. Derfor kan der opnås en udskiftelig sensor med en ønsket elektrisk resistans. Ved produktion i store antal kan hver sensor endvidere have en stabil elektrisk resistans, og således overflødiggøres enhver justering.

35 3 DK 171801 B1 I en anden udførelsesform af opfindelsen haves en sensor, hvor metaltrådene endvidere er tyndere end de gen-gemgående huller, som trådene er ført igennem, og hvor 5 mellemrummene mellem trådene og hullerne er fyldt med keramisk pulver, og dette pulver er sintret ved opvarmning til en lavere temperatur end dets sintringstemperatur.

10 Ved udvidelse pga. opvarmning vil den tynde metaltråd i dette tilfælde ikke blive presset mod stangen, og sensorens elektriske resistans kan ikke påvirkes af mekaniske spændinger i tråden.

15 Når endvidere to eller flere tynde metaltråde, som er indført i stangen i dens længderetning, forbindes i serie, øges den elektriske resistans så meget som ved den traditionelle sensor, så en stor varmeflux per længdeenhed af sensorproben kan opnås ved en lille elektrisk 20 strøm.

En foretrukken udførelsesform af opfindelsen skal nu beskrives, idet der henvises til tegningerne, hvor 25 fig. 1 er en perspektivisk tegning af en delvist gennemskåret sensor ifølge opfindelsen, fig. 2 er en perspektivisk tegning, hvor visse dele er fjernet for at vise den indre konstruktion af en stang, 30 fig. 3 viser stangen i fig. 2 set fra enden, fig. 4 viser i perspektiv den indre konstruktion af et sensorelement med visse dele fjernet, 35 4 DK 171801 B1 fig. 5 er et længdesnit gennem et dækelement/ og fig. 6 er et længdesnit gennem en sensor ifølge opfind-5 elsen.

Sensoren i fig. 1 er dannet ved at dække et sensorelement 10 med et dækelement 40.

10 Herefter skal først sensorelementet 10 beskrives.

En stang 12 har som vist i fig. 2 ti gennemgående huller 18 til optagelse af tynde metaltråde, og som er udført i stangens længderetning og anbragt med ens indbyrdes af-15 stand langs stangens periferi. Yderligere fire gennemgående huller 22 findes nærmere stangens centrale del end de gennemgående huller 18 til de tynde metaltråde, og som også forløber gennem stangen 12. Et antal lige, tynde metaltråde er £ørt igennem de gennemgående huller 18.

20

De tynde metaltråde er bøjet i U-form og et par endestykker fra hver metaltråd er ført igennem et par nabohuller fra en bageste endeflade 16 til en forreste endeflade 14 af stangen 12. I eksemplet i fig. 2 er fem U-25 formede tynde metaltråde ført igennem hvert par af gennemgående huller for de tynde metaltråde, og ved den forreste endeflade af et endestykke af hver tynde metaltråd passende forbundet ved punktsvejsning til et endestykke af en anden tynd metaltråd, som er nabo dertil.

30 De tynde metaltråde 20 forbindes således i serie, og ved den forreste endeflade 14 er der mellem endestykkerne 20A og 20B dannet en resistanstråd.

To lige ledertråde 24 er ført igennem de gennemgående 35 5 DK 171801 B1 huller 22. Ledertrådene 24 er også bøjet i U-form på samme måde som nævnt ovenfor i forbindelse med de tynde metaltråde 20, og et par endestykker af hver af ledertrådene er ført igennem et par nabohuller, men fra den 5 forreste endeflade 14 til den bageste endeflade 16 af stangen 12, i modsat retning af den tynde metaltråd 20.

Ved den forreste endeflade 14 er endestykkerne 20A og 20B af de tynde metaltråde 20 ved punktsvejsning i kontaktpunkter 26 og 28 forbundet til to ledertråde 24.

10

De to ledertråde 24 er således forbundet med kontaktpunkterne 26 og 28 med henblik på at måle den elektriske resistans af den tynde metaltråd 20 ved hjælp af fire-lednings metoden. F.eks. kan termiske ændringer i senso-15 rens omgivelser kendes nøjagtigt ved at forbinde en strømkilde og et voltmeter til respektive af disse ledertråde og sende en passende strøm gennem de tynde metaltråde 20 og samtidigt at måle en spænding mellem kontaktpunkterne 26 og 28 og udregne den elektriske resi-20 stans for den tynde metaltråd 20.

Som vist i fig. 4 er den tynde metaltråd 20 og ledertrå-den 24 en smule tyndere end de gennemgående huller 18 og hullerne 22 for ledertrådene. I mellemrummene i de gen-25 nemgående huller 18 og 22 er der fyldt keramisk pulver 30. Ved stangen 12's forreste endeflade 14 og bageste endeflade 16 findes en glasforsegling 32 med henblik på at forhindre udsivning af det keramiske pulver 30.

30 Det påfyldte keramiske pulver 30 sintres ved lav temperatur. I denne beskrivelse betyder "lav temperatur" lavere temperatur end en sintringstemperatur for det keramiske materiale.

35 6 DK 171801 B1

Det ved lav temperatur sintrede keramiske pulver 30 kan hermed forhindre en excentricitet for den tynde metaltråd 20. Når metaltråden 20 udvides ved opvarmning, vil den ikke blive trykket, fordi den sintrede tilstand let 5 ødelægges, og der vil derfor ikke optræde nogen mekanisk spænding i den tynde metaltråd 20.

I sensorelementet 10 i det ovenfor beskrevne eksempel har stangen 12 en diameter på 1,4 mm og en længde på 100 10 mm og er fremstillet af et keramisk materiale med høj renhed (større end 99,9%) af sintret, krystalliseret alumina, den tynde metaltråd 20 er en platintråd med 0,11 mm diameter og ledertråden 22 er en platintråd med 0,15 mm diameter. De gennemgående huller 18 til den tyn-15 de metaltråd har en diameter på 0,16 mm, og hullerne til ledertråden har en diameter på 0,16 mm og ligger centralt i stangen 12.

Stangen 12 af keramisk materiale giver høj bearbejdelig-20 hed og høj styrke, og den deformeres ikke og ændrer ikke egenskaber. Endvidere er dens volumen-ekspansionskoefficient mere eller mindre den samme som for platin. Den tynde metaltråd 20 af platin har en stabil elektrisk resistans.

25

Sensorens elektriske resistans er forudbestemt til 10 fl, og platintråden med 0,11 mm diameter har 10 Ω/m, og de ønskede værdier beregnes herudfra. Ved produktion i store antal er nøjagtigheden af den elektriske resistans 30 for hvert sensorelement 10 omkring +/- 0,1%, og der kan opnås en elektrisk resistans med høj stabilitet både mht. tid og over for opvarmning og afkøling.

Endvidere indføres ledertråden 24 på en gang i stangen 35 7 DK 171801 B1 10 for at tillade, at ledertråden 24 ikke er direkte påvirket af sensorelementet 10, og for at forhindre varme i at strømme ud fra leder tråden 24. Hermed kan varmen fra den tynde metaltråd 20 ikke afgives gennem ledertrå-5 den 24.

I fig. 5 ses to korte rør 44 og 46 og et rør 48 ved endestykket af et rør 42, hvis indvendige diameter er en smule større end diameteren af sensorelementet 10. Disse 10 rør er kittet sammen langs periferierne.

Som rørmateriale kan f.eks. anvendes rustfrit stål (SUS 316L), platin-palladium eller titanium, eller der vælges materiale efter behov.

15 Når sensorelementet 10 er indført i røret 42 hen til dets forreste ende, evakueres røret fra den forreste ende 42A, og der fyldes harpiks i beskyttelsesrøret 40 fra den bageste ende 42B for elektrisk at isolere det fra 20 den frie luft.

I stedet for harpiks kan der fyldes keramisk pulver, magnesiumoxidpulver osv. i beskyttelsesrøret 40.

25 Efter ønske kan ledertråden 24 i beskyttelsesrøret 40 forbindes med et kabel 50 af tilstrækkelig styrke, og der kan anbringes et fjederorgan 52 til beskyttelse af kablet 50, så der opnås en sensor med god holdbarhed.

30 Det overfor beskrevne beskyttelsesrør 40 er blot et eksempel på den elektrisk isolering for sensorelementet 10, og det begrænser ikke konstruktionen ifølge opfindelsen, men tjener blot som elektrisk isolering.

35 8 DK 171801 B1

Som det fremgår af den foregående beskrivelse* kan sensoren ifølge opfindelsen anvendes som resistans-tempera-tursensor til måling på sensorens omgivelser ved at sende strøm gennem den tynde metaltråd og samtidig måle 5 spændingen* som derved opstår over metaltråden* så der opnås information om ændringer i den elektriske resistans .

Ved en anden anvendelse anbringes to sensorer ifølge op-10 findelsén i fluidet, og den ene benyttes som varmekilde* og den anden benyttes som resistans-temperatursensor til måling af den termiske konduktivitet, så der kan bestemmes mange egenskaber hosfluidet ud fra disse værdier.

15 20 25 30 35

Claims (4)

1. Sensor til bestemmelse af en væskes fysiske egenskaber ved hjælp af metoden med elektrisk opvarmning, hvor der måles temperaturforskel mellem den omgivende væske og en tråd, hvor en elektrisk strømkilde og et voltmeter er forbundet med en tynd modstandstråd af metal, der er anbragt 10 omkring et centrum, og med et elektrisk isolerende legeme, der dækker modstandstråden, og hvor centret, modstandstråden og det isolerende legeme udgør en aflang stang, kendetegnet ved, at endefladerne (16, 14) af stangen (12) er forsynet med hul-15 ler (18), der strækker sig retlinet gennem stangen i dens længderetning, og hvorigennem tynde metaltråde (20) er indført fra den ene endeflade til den anden og er serieforbundet, hvorved modstandstråden dannes, stangen er kompakt, og hullerne (18) er i afstand fra hin-20 anden langs stangens periferi, der findes forbindelsestråde (24) i yderligere huller (22) foruden hullerne (18) til de tynde metaltråde (20), de yderligere huller (22) til forbindelsestråde (24) er anbragt nær stangens centrum, og 25 ved stangens ene ende (14) er de tynde metaltråde (20) forbundet med forbindelsestrådene (24) med henblik på at måle den elektriske modstand af metalmodstandstråden ved firepunkts målemetoden.

2. Sensor ifølge krav 1 kendetegnet ved, at rummet omkring de tynde metaltråde (20) i hullerne (18) er fyldt med et keramisk pulver (30). DK 171801 B1

3. Sensor ifølge krav 2 kendetegnet ved, at det keramiske pulver (30) er varmebehandlet ved en temperatur, der er lavere end dets sintringstemperatur.

4. Sensor ifølge krav 1 kendetegnet ved, at sensoren er anbragt i en kappe (40), der er større end sensoren, og at rummet mellem sensoren og kappen er fyldt med en harpiks.