WO2011067164A1 - Temperaturmessvorrichtung und herstellungsverfahren - Google Patents
Temperaturmessvorrichtung und herstellungsverfahren Download PDFInfo
- Publication number
- WO2011067164A1 WO2011067164A1 PCT/EP2010/068241 EP2010068241W WO2011067164A1 WO 2011067164 A1 WO2011067164 A1 WO 2011067164A1 EP 2010068241 W EP2010068241 W EP 2010068241W WO 2011067164 A1 WO2011067164 A1 WO 2011067164A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- face
- conductor element
- metallic conductor
- metallic
- conductor
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
- G01K7/02—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
Definitions
- the present invention relates generally
- Temperature measuring devices for measuring temperatures on solids, in liquids and in gases.
- the present invention relates in particular to a
- Temperature measuring device which is designed for measuring the temperature of rapidly flowing, gaseous media. Furthermore, the present invention relates to a method for
- Thermocouples for temperature measurement typically consist of two different metallic conductors that are electrically connected together at one point. On the
- thermoelectric voltage which is a function of
- connection point An electrical potential between the connection point and the connection points of the two metallic conductors is therefore detected by means of a measuring system and displayed as a relative or absolute temperature.
- Thermocouples have a broad field of application because the combination of different metallic conductors is extremely diverse.
- a pearl is formed.
- Such a bead typically has a mixture of 50% of one metal and 50% of another metal.
- the diameter of such Beads is much larger than the cross section of the
- a sensor bead referred to as
- Temperature measuring device is used, a high
- Temperature measuring device provided which has low response times.
- a temperature measuring device including: a first metallic conductor element having a first conductor cross-section and a first conductor longitudinal axis, which is a first conductor
- Conductor cross-section and a second conductor longitudinal axis which has a second contacting end face as an end surface perpendicular to the second conductor longitudinal axis, wherein the second contacting end face with the first
- Contact pad is electrically connected, wherein the first metallic conductor element and the at least one second metallic conductor element consist of different metallic materials, and wherein the local contact point has an area equal to or smaller than an area of at least one of the first and second
- Line cross sections is; and a determining device electrically connected to the first metallic conductor element and the at least one second metallic conductor element, which is designed to determine a temperature of the Contact point based on an electrical potential difference between the first metallic
- Temperature measuring device which includes: a first metallic conductor element having a first
- At least one second metallic conductor element having a second conductor cross-section and a second conductor longitudinal axis, wherein the first metallic conductor element and the at least one second metallic conductor element are electrically connected to one another at at least one local contact point such that the first conductor longitudinal axis and the second
- Ladder longitudinal axis in the region of the local contact point extend coaxially, wherein the first metallic conductor element and the at least one second metallic conductor element
- the local contact point has an area that is equal to or smaller than an area of at least one of the first and second line cross sections; and a determination device electrically connected to the first metallic conductor element and the at least one second metallic conductor element, which is designed to determine a temperature of the contact point on the
- Conductor element which has a first conductor cross section, with at least one second metallic
- Conductor element having a second conductor cross-section comprising the steps of: providing a first contacting end face as an end face of the first metallic conductor element; Provide one second contacting end face as an end face of the second metallic conductor member; and welding the first contacting end face to the second
- Contact point which has a surface area which is equal to or smaller than an area of at least one of the first and second line cross-sections.
- first and second contacting end faces are perpendicular to the respective ones
- a mixed layer can form on the adjacent contacting end faces.
- the mixed layer has a diameter in a range of 10 pm to 100 pm, and typically a diameter of about 26 pm.
- the metallic conductor elements may each have a radially symmetrical cross-section.
- the radially symmetric cross section typically has a diameter of about 0.2 mm or less.
- the local contact pad may have an area in a range of about 0.08 mm 2 to 0.15 mm 2 , and typically about 0.12 mm 2 .
- first and second contacting end faces each have a planar shape
- the determination device can have a reference temperature measuring point.
- the first contacting end face and the second contacting end face may be closed before the step of
- a typical use of the temperature measuring device includes measuring a temporal temperature history in an explosive front of a ignited gas mixture.
- Temperature measuring device with a representation of relevant thermoelectric voltages according to an embodiment
- Determining means a first metallic conductor element and a second metallic conductor element in front of a
- FIG. 5 (a) is a side view of a ribbon thermocouple having first and second metallic conductor elements;
- Fig. 5 (b) is a plan view of the first and second
- FIG. 6 is a flow chart illustrating a method for
- FIG. 7 shows a cross section through a measuring tube for testing a temperature measuring device according to a typical embodiment
- Fig. 8 is a cross-sectional view of an optical
- Light scattering device for detecting a
- FIG. 10 is a graph illustrating a temperature measurement diagram, one with a
- Temperature measuring device according to a typical
- Embodiment determined temperature profile represents.
- a temperature measuring device 100 is shown in FIG.
- a first metallic conductor element 101 which may be made of iron, for example, is a second metal
- Ladder element 201 for example, from a
- the second metallic conductor element 201 is according to the embodiment shown in FIG. 1 with a further first metallic conductor element 101 on one
- Reference temperature point 303 is connected, which is at a temperature T 2 . Furthermore, the first metallic conductor elements 101 are each connected to a connection line 302, which can be designed, for example, of copper, and have connection points to which a voltage U can be tapped.
- Thermoelectric voltages are of the respective temperature of
- the electron number densities ni and n 2 are dependent on the material of the corresponding metallic conductor element 101, 201, k denotes the Bolt zmann constant and e denotes the elementary charge.
- the measurable voltage U is thus directly proportional to the temperature difference between the pad 301 and the reference temperature point 303, as shown by the following equation:
- metallic conductor element 201 depends.
- thermoelectric voltages are also present at the metal-metal junctions between the first metallic conductor element 101 and the connecting line 302 on the one hand and the second metallic conductor element 201 and the connecting line 302 on the other.
- thermoelectric voltages cancel each other out as these metal-to-metal transitions are always at the same level
- the first metallic conductor element 101 can be made of the same material as the connecting line 302 (iron, copper, etc.), so that no additional thermal stresses occur, since there is no transition point between different metals.
- first and second metallic conductor elements 101, 201 also made
- Metal alloys can be formed.
- Metal alloys can be formed.
- thermoelectric effect Functioning of the thermoelectric effect (Seebeck effect), it is only crucial that the on the thermoelectric effect
- Such a metal-to-metal transition is in accordance with typical embodiments as described below. designed. Due to the effect of the Seebeck effect, the electric potential generated at the point of connection between two different metals depends only on the nature (electron number density) of the two metals and the
- Fig. 2 shows a block diagram of a
- Temperature measuring device 100 based on the Seebeck effect.
- the temperature to be measured is denoted by Ti, i. the temperature of the contact point 301, at which the first metallic conductor element 101 with the second
- thermoelectric effect between the non-connected ends of the first metallic conductor element 101 and the second metallic conductor element 201 is a
- Thermoelectric voltage Ui according to the above equation (2) can be tapped.
- This voltage is transmitted to a reference temperature point 303 via lines, optionally via the first and second metallic conductor elements 101, 201.
- Reference temperature location 303 is located on one
- Reference temperature T 2 wherein the reference temperature T 2 may be provided for example by ice water. Via the connecting lines 302, the measured
- Differential voltage measuring device 304 304 which is included in a determination device 300.
- the determination device 300 serves to determine a temperature Ti at the contact point 301 as a function of the measured thermal voltage. For this purpose, the
- Determining device 300 further comprises an analog-to-digital converter 305 which is connected to the differential voltage Measuring device 304 is connected in the determination device 300.
- a value is output via an output unit 306, which is connected to the analog-to-digital converter 305, which corresponds to a temperature difference between the temperatures Ti and T 2 , ie T 2 -T 2 . Since the temperature T 2 is known, the temperature T ib can be determined in this way on the basis of the output signal of the output unit 306.
- metallic materials for a material combination at the contact point 301 are used, such as, but not limited to, material combinations from the group iron-constantan, iron-nickel, constantan-platinum, nickel-chromium-constantan, etc.
- material combinations from the group iron-constantan, iron-nickel, constantan-platinum, nickel-chromium-constantan, etc.
- the choice of material combination depends on the temperature to be measured, ie the higher the temperature to be measured, the higher should be the
- the determination device 304 shown in FIG. 2 is
- Determining device 300 may be the
- Determining device 300 may be arranged as shown in Fig. 2, wherein the determining means 300 is then electrically connected to the reference temperature point 303 via the connecting lines 302.
- the determining means 300 In order to be able to measure temporal fluctuations of the temperature Ti to be measured at the contact point 301 with a high temporal dynamics, heat capacities must be measured with a Change the temperature to be measured ⁇ related, be designed as small as possible. Therefore, in particular, the heat capacity of the pad 301 is designed to be small, if a high temporal dynamics to be achieved.
- Fig. 3 shows two metallic conductor elements arranged at a differential angle 307, i. a first metallic conductor element 101, which has a first conductor longitudinal axis 104, and a second metallic conductor element 201, which has a second conductor longitudinal axis 204.
- the first metallic conductor element 201 and the second metallic conductor element 201 are electrically contacted with one another.
- Conductor elements 101, 201 face each other
- first metallic conductor element 101 has a first contacting end face 102
- second metallic conductor element 201 has a second contacting end face 202.
- first and second contacting end faces 102, 202 abut planar.
- first and second metallic conductor elements 101, 201 are aligned such that the first conductor longitudinal axis 104 is aligned coaxially with the second conductor longitudinal axis 204.
- Metallic conductor element 201 it is possible a To reduce heat capacity of the transition point and thereby improve a response time of the thermocouple.
- first metallic conductor element 101 made of iron and also consists of the second metallic
- Conductor element 201 made of constantan (copper-nickel, Cu-Ni), so can be with a constructed thermocouple
- Temperatures typically range from -200 ° C to -700 ° C.
- thermocouple When fabricating a thermocouple according to a typical embodiment, the first and second contacting end faces are perpendicular to the respective ones
- Contact end face 102 is designed perpendicular to the first conductor longitudinal axis 104, while the second
- Ladder longitudinal axis 204 is designed. According to another embodiment, which may be combined with other embodiments described herein, the metallic ones have the following features
- Conductor elements (101, 102) a radially symmetrical
- the radially symmetrical cross-section has according to a further embodiment, a diameter of 0.2 mm or less.
- FIG. 4 shows the first and second metallic conductor elements 101, 201 in a connected state. As shown in Fig. 4, the first and second run
- first and second metallic conductor elements 101, 201 are aligned by means of a microscope such that the first and second
- Embodiment used a microscope.
- first and second conductor longitudinal axes 104, 204 aligned with each other, followed by a
- Actuator can, for example, as a
- electromagnetic actuator which moves the pressure plates in the direction of the longitudinal axis of the conductor elements such that the planar polished ends adjacent to each other. In this way, the two are planarized
- FIG. 5 (a) is a side cross-sectional view of FIG.
- metallic conductor elements may have any cross section, i. the cross section may be circular, radially symmetric, elliptical or rectangular, as illustrated in FIG. Fig. 5 (b) illustrates a cross-sectional plan view of a pad 301 between two ribbon-like
- Fig. 5 (b) is a
- Conductor element 101 and the second metallic conductor element 201 or between the first contacting end face 102 and the second contacting end face 202 (not shown in Fig. 5) equal to or smaller than one
- FIG. 5 (b) shows two metallic conductor elements 101, 201 formed from different materials.
- the hatched circles shown in the first metallic conductor element 101 correspond to atoms of a first metallic material, while those in the second
- Metallic conductor element 201 shown unexecuted circles atoms of a second metallic
- a mixed layer is formed at the contact point 301 between atoms of the first metallic conductor element 101 and atoms of the second metallic conductor element 201.
- a transition region is formed, in which, according to the Seebeck effect, thermovoltages which depend on the temperature difference between the measuring point and the reference site,
- a variation of the temperature of the measuring point must now be limited to a small transition region, i. be transferred to the mixed layer at the pad 301, such that
- Heat capacity can be transferred quickly to the mixed layer of atoms of the first atomic species 101 and atoms of the second atomic species 201.
- Contacting face 202 is formed, thus has an extremely small cross-sectional area.
- the blend layer has a diameter in a range of about 10 pm (microns) to 100 pm, typically it has a diameter of about 26 pm.
- the local pad 301 thus has a surface area in a range of about 0.08 mm 2 to 0.15 mm 2 , and typically about 0.12 mm 2 .
- metallic conductor element 101 and the second metallic conductor element 201 are each atoms of a surface monolayer in connection. Welding the first contacting end face 102 of the first metallic
- Conductor element 101 with the second contacting end face 202 of the second metallic contacting element 201 is carried out by means of a current flow via the contact point 301.
- electric needle pulses having a duration in the range from 20 ns (nanoseconds) to 100 ms (milliseconds) are used, typically the duration of the needle pulses is the electric current , which is used for welding, 100 ns.
- the step of welding the first contacting end surface 102 to the second contacting end surface 202 in a vacuum region is performed.
- FIG. 6 is a flowchart illustrating a method of electrically connecting a first metal
- Conductor element which has a first conductor cross section, with at least one second metallic Conductor element having a second conductor cross-section illustrated.
- Steps Sl to S5 on Steps Sl to S5 on.
- a step Sl the
- a first contacting end face is provided as an end face of a first metallic conductor element. Further, in a subsequent step S3, a second contacting end face is provided as an end face of a second metallic conductor member.
- the first and second surfaces are aligned with each other and then welded (step S4). The adjustment of the first
- step S4 the first contacting end face is welded to the second one
- electromagnetic actuator can be moved in the axial direction.
- the end faces of the first and second metallic conductor elements 101, 201 abut on the
- the local contact point has one
- FIG. 7 is a side cross-sectional view of a tester 400 for testing a tester
- Temperature measuring device 100 according to one or more of the above embodiments. To test the
- Temperature measuring device 100 is a gas mixture 404, which in the direction shown by an arrow D in a measuring tube 403 to the right (Fig. 7) is accelerated.
- the ignition of the gas mixture 404 takes place by means of a spark plug 412, wherein high longitudinal speeds of the gas mixture in the measuring tube 403 are achieved.
- the measuring tube 403 typically has a length of 20 m, wherein a respective light sensor 408 is arranged upstream and downstream of the measuring tube.
- the light sensor 408 disposed upstream of the temperature measurement device 100 provides a first detector output signal 409, while the light sensor 408 disposed downstream of the temperature measurement device 100 provides a second detector output signal 410.
- the detector output signals 409, 410 enable by means of the distance of the two light sensors 408 in the
- the measuring tube longitudinal axis a determination of the velocity of the propagating ignited gas mixture 404 along the longitudinal axis of the measuring tube 403.
- An auxiliary temperature sensor 411 is downstream of
- Light sensor (detector) 408 arranged for reference measurement. About the measured gas velocity of the ignited
- Gas mixture 404 can now determine the dynamic behavior of the temperature measuring device 100 in the test device 400.
- FIG. 8 shows the measuring tube 403 in a cross-sectional view, wherein a measuring point for detecting the gas mixture 404 is formed by a laser scattering device.
- a laser light source 401 is provided
- Such a measuring device can be arranged several times along the longitudinal axis of the measuring tube 403 such that a propagation velocity of the ignited gas mixture 404 along the measuring tube longitudinal axis is made possible.
- a propagation velocity of the ignited gas mixture 404 along the measuring tube longitudinal axis is made possible.
- Detector output signal 409 and a second, delayed
- Detector output signal 410 which are then evaluated in relation to the longitudinal velocity in the measuring tube 403. 9 shows a signal processing device 500 for evaluating a time difference between the first
- Detector output signal 409 (see FIG. 8) and the second detector output signal 410 (see FIG. 8).
- Detector output signal 409 is supplied to a first comparator 501 while the second detector output signal 410 is supplied to a second comparator 502. It should be noted here that the fitted in circles
- the first and second comparators 501, 502 serve to convert the first and second detector output signals 409, 410 into digitally processable signals.
- a logical combination unit 503 connected to the first and second comparators 501, 502 links the
- Flowchart ⁇ yields.
- the signal ⁇ is finally fed to a pulse elimination unit 504, which eliminates one of the two resulting pulses.
- the remaining pulse is supplied to an inverter 505 and then to a gate unit 506, which corresponds to the pulse duration of the remaining one, from the
- Pulse elimination unit 504 output pulse
- High-frequency signal associated with the pulse such that high-frequency pulses during a gate time to a
- An output signal of the output inverter finally forms a time difference signal 508, which is a time difference between the first detector output signal 409 and the second detector output signal 410 and thus over a known distance between the two detectors
- FIG. 10 shows a temperature measurement diagram 600, in which a temperature profile 603 is shown.
- a temperature 602 is shown as a function of a time 601, the time running between 0.3 and 0.5 s while a
- a typical rise time (90% increase) is approximately 10 ms (milliseconds).
- Temperature measuring device 100 can also be used for very rapidly spreading, gaseous media.
- the temperature measuring device 100 will be advantageous used for measuring a temporal temperature curve i an explosion front in a ignited gas mixture.
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
Abstract
Eine Temperaturmessvorrichtung (100), umfasst ein erstes metallisches Leiterelement (101) mit einem ersten Leiterquerschnitt (103) und einer ersten Leiterlängsachse (104), welches eine erste Kontaktierungsstirnfläche (102) als eine Endfläche senkrecht zu der ersten Leiterlängsachse (104) aufweist; mindestens ein zweites metallisches Leiterelement (201) mit einem zweiten Leiterquerschnitt (203) und einer zweiten Leiterlängsachse (204), welches eine zweite Kontaktierungsstirnfläche (202) als eine Endfläche senkrecht zu der zweiten Leiterlängsachse (204) aufweist, wobei die zweite Kontaktierungsstirnfläche (202) mit der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) an mindestens einer lokalen Kontaktstelle (301) elektrisch verbunden ist, wobei das erste metallische Leiterelement (101) und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement (201) aus unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle (301) einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte (103; 203) ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement (201) verbundene Bestimmungseinrichtung (300), die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der Kontaktstelle (301) auf der Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement (201).
Description
TEMPERATURMESSVORRICHTUNG UND HERSTELLUNGSVERFAHREN
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein
Temperaturmessvorrichtungen zur Messung von Temperaturen an Festkörpern, in Flüssigkeiten und in Gasen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere eine
Temperaturmessvorrichtung, welche zur Temperaturmessung von schnell strömenden, gasförmigen Medien ausgelegt ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Herstellen eines Temperatursensors.
Thermoelemente zur Temperaturmessung bestehen typischerweise aus zwei unterschiedlichen metallischen Leitern, die an einem Punkt elektrisch miteinander verbunden sind. Auf der
Grundlage des Seebeck-Effekts entsteht bei einer
Temperaturdifferenz zwischen dem Verbindungspunkt der beiden metallischen Leiter und den Endpunkten der metallischen
Leiter eine Thermospannung, welche eine Funktion der
Temperaturdifferenz ist.
Ein elektrisches Potenzial zwischen dem Verbindungspunkt und den Anschlusspunkten der beiden metallischen Leiter wird daher mittels eines Messsystems erfasst und als eine relative oder absolute Temperatur zur Anzeige gebracht.
Thermoelemente weisen ein breites Anwendungsfeld auf, da die Kombination unterschiedlicher metallischer Leiter äußerst vielfältig ist.
Werden die beiden metallischen Leiter miteinander verbunden, so erfolgt dies zumeist in einem Schweißprozess , bei welchem an dem Verbindungspunkt eine AufSchmelzung beider Metalle der beiden metallischen Leiter erfolgt, derart, dass
beispielsweise eine Perle gebildet wird. Eine derartige Perle weist typischerweise ein Gemisch aus 50% des einen Metalls und 50% eines anderen Metalls auf. Der Durchmesser solcher
Perlen ist wesentlich größer als der Querschnitt der
metallischen Leiter, welche als Anschlussdrähte für das
Thermoelement dienen. Aus diesem Grund weist eine Sensorperle, die als
Temperaturmesseinrichtung eingesetzt wird, eine hohe
Wärmekapazität auf. Hohe Wärmekapazitäten führen zu niedrigen Temperatur-Ansprechzeiten, d.h. eine Trägheit bei der
Erfassung von Temperaturen von sich schnell verändernden Medien ist vorhanden.
In Anbetracht der obigen Ausführungen wird eine
Temperaturmessvorrichtung bereitgestellt, welche geringe Ansprechzeiten aufweist.
Gemäß einem Aspekt wird eine Temperaturmessvorrichtung bereitgestellt, welche einschließt: ein erstes metallisches Leiterelement mit einem ersten Leiterquerschnitt und einer ersten Leiterlängsachse, welches eine erste
Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche senkrecht zu der ersten Leiterlängsachse aufweist; mindestens ein zweites metallisches Leiterelement mit einem zweiten
Leiterquerschnitt und einer zweiten Leiterlängsachse, welches eine zweite Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche senkrecht zu der zweiten Leiterlängsachse aufweist, wobei die zweite Kontaktierungsstirnfläche mit der ersten
Kontaktierungsstirnfläche an mindestens einer lokalen
Kontaktstelle elektrisch verbunden ist, wobei das erste metallische Leiterelement und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement aus unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten
Leitungsquerschnitte ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement verbundene Bestimmungseinrichtung, die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der
Kontaktstelle auf der Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen
Leiterelement und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement .
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine
Temperaturmessvorrichtung bereitgestellt, welche einschließt: ein erstes metallisches Leiterelement mit einem ersten
Leiterquerschnitt und einer ersten Leiterlängsachse;
mindestens ein zweites metallisches Leiterelement mit einem zweiten Leiterquerschnitt und einer zweiten Leiterlängsachse, wobei das erste metallische Leiterelement und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement an mindestens einer lokalen Kontaktstelle elektrisch derart miteinander verbunden sind, dass die erste Leiterlängsachse und die zweite
Leiterlängsachse im Bereich der lokalen Kontaktstelle koaxial verlaufen, wobei das erste metallische Leiterelement und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement aus
unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement verbundene Bestimmungseinrichtung, die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der Kontaktstelle auf der
Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen Leiterelement und dem mindestens einen zweiten metallischen Leiterelement.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt wird Verfahren zum
elektrischen Verbinden eines ersten metallischen
Leiterelements, welches einen ersten Leiterquerschnitt aufweist, mit mindestens einem zweiten metallischen
Leiterelement, welches einen zweiten Leiterquerschnitt aufweist, bereitgestellt, mit den Schritten: Bereitstellen einer ersten Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche des ersten metallischen Leiterelements; Bereitstellen einer
zweiten Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche des zweiten metallischen Leiterelements; und Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche mit der zweiten
Kontaktierungsstirnfläche an mindestens einer lokalen
Kontaktstelle, welche einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner ist als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte.
In einem Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen senkrecht zu den jeweiligen
Leiterlängsachsen orientiert. Typischer Weise werden die unterschiedlichen metallischen Materialien als eine
Materialkombination aus der Gruppe Eisen-Konstantan, Eisen- Nickel, Konstantan-Platin, Nickel-Chrom-Konstantan, oder jedweder Kombination davon bereitgestellt.
Eine Mischschicht kann sich an den aneinander grenzenden Kontaktierungsstirnflächen ausbilden. Gemäß einem
Ausführungsbeispiel weist die Mischschicht einen Durchmesser in einem Bereich von 10 pm bis 100 pm, und typischerweise einen Durchmesser von etwa 26 pm auf. Hiebei können die metallischen Leiterelemente jeweils einen radialsymmetrischen Querschnitt aufweisen. Der radialsymmetrische Querschnitt weist typischer Weise einen Durchmesser von etwa 0,2 mm oder weniger auf. Hierbei kann die lokale Kontaktstelle einen Flächeninhalt in einem Bereich von etwa 0,08 mm2 bis 0,15 mm2, und typischerweise von etwa 0,12 mm2 aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel weisen die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen jeweils planar
geschliffene Oberflächen auf.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die
Bestimmungseinrichtung als ein Spannungsmesser
bereitgestellt. Ferner kann die Bestimmungseinrichtung eine Referenztemperatur-Messstelle aufweisen .
Die erste Kontaktierungsstirnfläche und die zweite Kontaktierungsstirnfläche können vor dem Schritt eines
Verschweißens miteinander mittels eines Mikroskops zueinander justiert werden.
Eine typische Verwendung der Temperaturmessvorrichtung nach mindestens einem Ausführungsbeispiel schließt eine Messung eines zeitlichen Temperaturverlaufs in einer Explosionsfront eines gezündeten Gasgemisches ein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert . In den Zeichnungen zeigen: eine Thermoelement-basierte
Temperaturmessvorrichtung mit einer Darstellung relevanter Thermospannungen gemäß einem Ausführungsbeispiel ; eine Temperaturmessvorrichtung mit Messstelle, Referenztemperaturstelle und
Bestimmungseinrichtung, gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel; ein erstes metallisches Leiterelement und ein zweites metallisches Leiterelement vor einer
Verbindung derselben; die in der Fig. 3 dargestellten ersten und zweiten metallischen Leiterelemente nach einer Verbindung derselben, gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel ;
Fig. 5(a) eine seitliche Ansicht eines Flachband- Thermoelements mit ersten und zweiten metallischen Leiterelementen; Fig. 5(b) eine Draufsicht der ersten und zweiten
metallischen Leiterelemente sowie einer schematischen Darstellung einer Kontaktstelle, gemäß einem weiteren typischen
Ausführungsbeispiel ;
Fig. 6 ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum
elektrischen Verbinden eines ersten metallischen Leiterelements mit mindestens einem zweiten metallischen Leiterelement veranschaulicht;
Fig. 7 einen Querschnitt durch ein Messrohr zum Testen einer Temperaturmessvorrichtung gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel; Fig. 8 eine Querschnittsansicht einer optischen
LichtStreueinrichtung zur Erfassung einer
Gasströmungsgeschwindigkeit ;
Fig. 9 eine Signalverarbeitungseinrichtung zur
Verarbeitung der mit Hilfe des in Fig. 8 gezeigten
Messaufbaus gewonnenen Signale; und
Fig. 10 einen Graphen, welcher ein Temperaturmessdiagramm veranschaulicht, das einen mit einer
Temperaturmessvorrichtung gemäß einem typischen
Ausführungsbeispiel ermittelten Temperaturverlauf darstellt .
In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten oder Schritte.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
Eine Temperaturmessvorrichtung 100 gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel ist in Fig. 1 dargestellt. Ein erstes metallisches Leiterelement 101, das beispielsweise aus Eisen bestehen kann, ist mit einem zweiten metallischen
Leiterelement 201, das beispielsweise aus einem
unterschiedlichen Metall, wie Konstantan, bestehen kann, an einer lokalen Kontaktstelle 301 elektrisch leitend verbunden. Dieser Verbindungspunkt, d.h. die Kontaktstelle 301, befindet sich auf einer Temperatur Ti.
Das zweite metallische Leiterelement 201 ist gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform mit einem weiteren ersten metallischen Leiterelement 101 an einer
Referenztemperaturstelle 303 verbunden, welche sich auf einer Temperatur T2 befindet. Ferner sind die ersten metallischen Leiterelemente 101 jeweils mit einer Anschlussleitung 302, die beispielsweise aus Kupfer ausgelegt sein kann, verbunden und weisen Anschlusspunkte auf, an welchen eine Spannung U abgegriffen werden kann. Die Spannung U ergibt sich aus der folgenden Beziehung: U = Ui + U2 (1)
Befinden sich die beiden Verbindungspunkte, d.h. die
Kontaktstelle 301 und die Referenztemperaturstelle 303, auf gleicher Temperatur, d.h. Ti = T2, dann heben sich die
Spannungen Ui und U2 gerade auf, da sie von gleichem Betrag und entgegengesetzt polarisiert sind, so dass sich eine
GesamtSpannung von U = 0 ergibt. Die Einzelspannungen Ui und U2 ergeben sich aus den folgenden Gleichungen: Ui = — Lln (2)
Die in den Gleichungen (2) und (3) angegebenen
Thermospannungen sind von der jeweiligen Temperatur der
Verbindungsstelle 301, 303 (ΊΊ, T2) und jeweils dem
Logarithmus (natürlicher Logarithmus) der
Elektronenzahldichten Ni des ersten metallischen
Leiterelements 101 und N2 des zweiten metallischen
Leiterelements 201 abhängig.
Die Elektronenzahldichten ni und n2 sind von dem Material des entsprechenden metallischen Leiterelements 101, 201 abhängig, k bezeichnet die Bolt zmann-Konstante und e bezeichnet die Elementarladung .
Für eine vorgegebene Materialkombination, beispielsweise Eisen für das erste metallische Leiterelement 101 und
Konstantan für das zweite metallische Leiterelement 201, ergibt sich ein festes Verhältnis der Elektronenzahldichten ni und n2, so dass die beiden obigen Gleichungen (2) und (3) zusammengefasst werden können und eine messbare und durch eine Auswerteeinrichtung (in Fig. 1 nicht gezeigt)
auswertbare GesamtSpannung U erhalten wird gemäß unten stehender Gleichung:
Die messbare Spannung U ist somit direkt proportional zu der Temperaturdifferenz zwischen der Kontaktstelle 301 und der Referenztemperaturstelle 303, wie folgende Gleichung zeigt:
U c · (Ti-T2) (5)
Hierbei ist die Konstante c eine Konstante, die von der
Bolt zmann-Konstante, der Elementarladung und dem Logarithmus aus dem Quotienten der Elektronenzahldichten ni des ersten metallischen Leiterelements 101 und ri2 des zweiten
metallischen Leiterelements 201 abhängt.
Auf der Grundlage der in der obigen Gleichung (5) gegebenen Beziehung lässt sich nunmehr durch die Anwendung des Seebeck- Effekts ein Temperaturmesssystem auslegen.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass die oben stehend
beschriebenen Thermospannungen auch an den Metall-Metall- Übergängen zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und der Anschlussleitung 302 einerseits und dem zweiten metallischen Leiterelement 201 und der Anschlussleitung 302 andererseits vorhanden sind.
Diese Thermospannungen heben sich jedoch gegenseitig auf, da sich diese Metall-Metall-Übergänge stets auf gleicher
Temperatur, z.B. Raumtemperatur, befinden. Weiterhin kann das erste metallische Leiterelement 101 aus dem gleichen Material wie die Anschlussleitung 302 (Eisen, Kupfer, ...) bestehen, so dass keine zusätzlichen Thermospannungen auftreten, da keine Übergangsstelle zwischen unterschiedlichen Metallen vorhanden ist.
Es sei ferner darauf hingewiesen, dass die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 auch aus
Metalllegierungen gebildet sein können. Für die
Funktionsweise des thermoelektrischen Effekts (Seebeck- Effekt) ist es lediglich entscheidend, dass die an den
Kontaktpunkten verbundenen ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 unterschiedliche elektrochemische Potenziale aufweisen.
Ein derartiger Metall-Metall-Übergang ist gemäß typischen Ausführungsformen, wie sie unten stehend beschrieben werden,
ausgelegt. Durch die Wirkung des Seebeck-Effekts hängt das elektrische Potenzial, das an dem Verbindungspunkt zwischen zwei unterschiedlichen Metallen erzeugt wird, nur von der Natur (Elektronenzahldichte) der beiden Metalle und der
Temperatur an dem Verbindungspunkt im Vergleich zu einer Referenztemperaturstelle ab.
Fig. 2 zeigt ein Blockdiagramm einer
Temperaturmessvorrichtung 100 basierend auf dem Seebeck- Effekt. Die zu messende Temperatur ist mit Ti bezeichnet, d.h. die Temperatur der Kontaktstelle 301, an welcher das erste metallische Leiterelement 101 mit dem zweiten
metallischen Leiterelement 201 kontaktiert ist, wird durch die Temperaturmessvorrichtung 100 erfasst.
Infolge des thermoelektrischen Effekts ist zwischen den nicht verbundenen Enden des ersten metallischen Leiterelements 101 und des zweiten metallischen Leiterelements 201 eine
Thermospannung Ui gemäß obiger Gleichung (2) abgreifbar.
Diese Spannung wird zu einer Referenztemperaturstelle 303 über Leitungen, gegebenenfalls über die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 übertragen. Die
Referenztemperaturstelle 303 befindet sich auf einer
Referenztemperatur T2, wobei die Referenztemperatur T2 beispielsweise durch Eiswasser bereitgestellt sein kann. Über die Anschlussleitungen 302 wird die gemessene
Spannungsdifferenz (Gesamtspannungsdifferenz U gemäß
Gleichung (4) oben) zu einer
Differenzspannungsmesseinrichtung 304 übertragen, welche in einer Bestimmungseinrichtung 300 enthalten ist.
Die Bestimmungseinrichtung 300 dient einer Bestimmung einer Temperatur Ti an der Kontaktstelle 301 als Funktion der gemessenen Thermospannung. Zu diesem Zweck weist die
Bestimmungseinrichtung 300 ferner einen Analog-Digital- Umsetzer 305 auf, der mit der Differenzspannungs-
Messeinrichtung 304 in der Bestimmungseinrichtung 300 verbunden ist.
Als Ausgangssignal des Analog-Digital-Umsetzers 305 wird über eine Ausgabeeinheit 306, welche mit dem Analog-Digital- Umsetzer 305 verbunden ist, ein Wert ausgegeben, der einer Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturen Ti und T2, d.h. T2-T2 entspricht. Da die Temperatur T2 bekannt ist, lässt sich auf diese Weise anhand des Ausgangssignals der Ausgabeeinheit 306 die Temperatur Tib bestimmen.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass unterschiedliche
metallische Materialien für eine Materialkombination an der Kontaktstelle 301 eingesetzt werden, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Materialkombinationen aus der Gruppe Eisen-Konstantan, Eisen-Nickel, Konstantan-Platin, Nickel- Chrom-Konstantan, etc. Die Wahl der Materialkombination hängt von der zu messenden Temperatur ab, d.h. je höher die zu messende Temperatur ist, desto höher sollte auch der
Schmelzpunkt der eingesetzten Materialien sein.
Die in Fig. 2 gezeigte Bestimmungseinrichtung 304 ist
vorzugsweise als Entspannungsmesser ausgelegt, dessen
Ausgangssignal in dem Analog-Digital-Umsetzer 305 von dem analogen Spannungswert (U, siehe Fig. 1) in einen
entsprechenden Digitalwert umgesetzt wird. In der
Bestimmungseinrichtung 300 kann sich die
Referenztemperaturstelle 303 verbinden. Ferner kann die
Referenztemperaturstelle 303 außerhalb der
Bestimmungseinrichtung 300 angeordnet sein, wie in Fig. 2 gezeigt, wobei die Bestimmungseinrichtung 300 dann mit der Referenztemperaturstelle 303 über die Anschlussleitungen 302 elektrisch verbunden ist. Um zeitliche Schwankungen der zu messenden Temperatur Ti an der Kontaktstelle 301 mit einer hohen zeitlichen Dynamik messen zu können, müssen Wärmekapazitäten, die mit einer
Änderung der zu messenden Temperatur ΊΊ zusammenhängen, möglichst klein ausgelegt werden. Daher ist insbesondere die Wärmekapazität der Kontaktstelle 301 klein auszulegen, wenn eine hohe zeitliche Dynamik erreicht werden soll.
Fig. 3 zeigt zwei unter einem Differenzwinkel 307 angeordnete metallische Leiterelemente, d.h. ein erstes metallisches Leiterelement 101, welches eine erste Leiterlängsachse 104 aufweist, und ein zweites metallisches Leiterelement 201, welches eine zweite Leiterlängsachse 204 aufweist. Hierbei weisen die ersten und zweiten Leiterlängsachsen 104, 204 den Differenzwinkel 307 zueinander auf. An der Kontaktstelle 301 (siehe Fig. 4) werden das erste metallische Leiterelement 201 und das zweite metallische Leiterelement 201 miteinander elektrisch kontaktiert. Die beiden metallischen
Leiterelemente 101, 201 weisen einander zugewandte
Kontaktierungsstirnflächen auf, d.h. das erste metallische Leiterelement 101 weist eine erste Kontaktierungsstirnfläche 102 auf, während das zweite metallische Leiterelement 201 eine zweite Kontaktierungsstirnfläche 202 aufweist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Verfahrens (siehe unten stehend unter Bezug nehmend auf Fig. 6) ist es nunmehr vorteilhaft, wenn die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen 102, 202 planar aneinander stoßen. Zu diesem Zweck werden, wie unten stehend beschrieben wird, die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 derart ausgerichtet, dass die erste Leiterlängsachse 104 koaxial zu der zweiten Leiterlängsachse 204 ausgerichtet ist.
Auf diese Weise ist es möglich, einen äußerst geringen
Bereich einer Kontaktierung (Kontaktierungsfläche) zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und dem zweiten metallischen Leiterelement 201 vorzusehen. Durch eine
Verringerung einer Masse des Übergangsbereichs zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und dem zweiten
metallischen Leiterelement 201 ist es möglich, eine
Wärmekapazität der Übergangsstelle zu verringern und dadurch eine Ansprechzeit des Thermoelements zu verbessern.
Besteht beispielsweise das erste metallische Leiterelement 101 aus Eisen und besteht ferner das zweite metallische
Leiterelement 201 aus Konstantan (Kupfer-Nickel, Cu-Ni), so lassen sich mit einem derart aufgebauten Thermoelement
Temperaturen typischerweise in einem Bereich von -200°C bis -700°C messen.
Bei einer Herstellung eines Thermoelements gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel sind die ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen senkrecht zu den jeweiligen
Leiterlängsachsen orientiert, d.h. die erste
Kontaktierungsstirnfläche 102 ist senkrecht zu der ersten Leiterlängsachse 104 ausgelegt, während die zweite
Kontaktierungsstirnfläche 202 senkrecht zu der zweiten
Leiterlängsachse 204 ausgelegt ist. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches mit anderen Ausführungsbeispielen, welch hierin beschrieben sind, kombiniert werden kann, weisen die metallischen
Leiterelemente (101, 102) einen radial symmetrischen
Querschnitt auf. Der radialsymmetrische Querschnitt besitzt gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Durchmesser von 0,2 mm oder weniger.
Gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel, welches mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, weisen die ersten und zweiten
Kontaktierungsstirnflächen 102, 202, der ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 jeweils planare
geschliffene Oberflächen auf. Derartige Oberflächen der ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen 101, 202 werden beispielsweise mittels Schleifen planarisiert .
Fig. 4 zeigt die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 in einem verbundenen Zustand. Wie in Fig. 4 gezeigt, verlaufen die ersten und zweiten
Leiterlängsachsen 104, 204 an der Kontaktstelle 301 koaxial. Zu diesem Zweck werden die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 mittels eines Mikroskops derart ausgerichtet, dass die ersten und zweiten
Kontaktierungsstirnflächen 102, 202 (siehe Fig. 3) planar einander gegenüberstehen und mit möglichst kleiner Masse aufeinander geschweißt werden können.
Um die ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 aufeinander auszurichten, kann gemäß einem
Ausführungsbeispiel ein Mikroskop herangezogen werden.
Hierbei werden die ersten und zweiten Leiterlängsachsen 104, 204 aufeinander ausgerichtet, wobei anschließend ein
Verschweißen in Richtung der Leiterlängsachsen 104, 204 durchgeführt wird. Ferner ist es möglich, das
Herstellungsverfahren mittels einer automatischen
Führungseinrichtung durchzuführen. Hierbei werden die
Leiterelemente zwischen Druckplatten eingespannt, an den einander zugewandten Enden plan poliert und mittels einer Stelleinrichtung aufeinander zu bewegt. Eine derartige
Stelleinrichtung kann beispielsweise als ein
elektromagnetischer Aktor bereitgestellt sein, welcher die Druckplatten in Richtung der Längsachse der Leiterelemente derart bewegt, dass die plan polierten Enden aneinander angrenzen . Auf diese Weise werden die beiden planarisierten
Kontaktierungsstirnflächen 102, 202 miteinander verschweißt. Durch die Justage mittels Mikroskop ist gewährleistet, dass die Kontaktstelle 301, die eine Verbindungsstelle zwischen dem ersten metallischen Leiterelement 101 und dem zweiten metallischen Leiterelement 202 darstellt, einen möglichst kleinen Flächeninhalt aufweist.
Zum Verschweißen des ersten metallischen Leiterelements 101 mit dem zweiten metallischen Leiterelement 201 an den
jeweiligen Kontaktierungsstirnflächen 102, 202 wird ein
Stromfluss durch das erste und zweite metallische
Leiterelement 101, 201 bereitgestellt. Wie der Strom durch die Leiterelemente hinsichtlich seines Zeitverlaufs gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel ausgelegt ist, wird unten stehend unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert. Fig. 5(a) ist eine Seiten-Querschnittsansicht einer
Kontaktstelle 301 zwischen einem ersten metallischen
Leiterelement 101 und einem zweiten metallischen
Leiterelement 201. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die ein Thermoelement ausbildenden ersten und zweiten
metallischen Leiterelemente einen beliebigen Querschnitt aufweisen können, d.h. der Querschnitt kann kreisförmig, radialsymmetrisch, elliptisch oder rechteckförmig sein, wie in Fig. 5 veranschaulicht. Fig. 5(b) veranschaulicht eine Querschnitts-Draufsicht auf eine Kontaktstelle 301 zwischen zwei flachbandartig
ausgebildeten metallischen Leiterelementen 101, 201.
Wie aus Fig. 5(b) deutlich zu erkennen ist, ist eine
Verbindungsfläche zwischen dem ersten metallischen
Leiterelement 101 und dem zweiten metallischen Leiterelement 201 bzw. zwischen der ersten Kontaktierungsstirnfläche 102 und der zweiten Kontaktierungsstirnfläche 202 (in Fig. 5 nicht gezeigt) gleich oder kleiner als eine
Querschnittsfläche des ersten oder zweiten metallischen
Leiterelements 101, 201. Auf diese Weise ist es möglich, dass eine Wärmekapazität des Übergangs, d.h. des Übergangs Metall- Metall, von dem ersten metallischen Leiterelement 101 auf das zweite metallische Leiterelement 201 eine äußerst geringe Wärmekapazität aufweist.
In Fig. 5(b) sind zwei aus unterschiedlichen Materialien ausgebildete metallische Leiterelemente 101, 201 dargestellt. So entsprechen die in dem ersten metallischen Leiterelement 101 dargestellten, schraffierten Kreise Atomen eines ersten metallischen Materials, während die in dem zweiten
metallischen Leiterelement 201 dargestellten nicht- ausgeführten Kreise Atomen eines zweiten metallischen
Materials entsprechen. In dem Übergangsbereich bildet sich an der Kontaktstelle 301 eine Mischschicht zwischen Atomen des ersten metallischen Leiterelements 101 und Atomen des zweiten metallischen Leiterelements 201.
An einer Grenzschicht zwischen einer ersten Atomsorte 105 des ersten metallischen Leiterelements 101 und einer zweiten Atomsorte 205 des zweiten metallischen Leiterelements 201 entsteht ein Übergangsbereich, in welchem gemäß dem Seebeck- Effekt Thermospannungen, welche von der Temperaturdifferenz zwischen Messstelle und Referenzstelle abhängig sind,
gebildet werden.
Eine Variation der Temperatur der Messstelle muss nun auf einen kleinen Übergangsbereich, d.h. auf die Mischschicht an der Kontaktstelle 301, übertragen werden, derart, dass
Temperaturänderungen infolge einer äußerst geringen
Wärmekapazität schnell auf die Mischschicht aus Atomen der ersten Atomsorte 101 und Atomen der zweiten Atomsorte 201 übertragen werden.
Die Mischschicht 301, die somit zwischen der ersten
Kontaktierungsstirnfläche 102 und der zweiten
Kontaktierungsstirnfläche 202 ausgebildet ist, weist somit eine äußerst geringe Querschnittsfläche auf.
Gemäß einem typischen Ausführungsbeispiel, welches mit anderen hierin beschriebenen Ausführungsbeispielen kombiniert werden kann, weist die Mischschicht einen Durchmesser in einem Bereich von ungefähr 10 pm (Mikrometer) bis 100 pm auf,
in typischer Weise weist sie einen Durchmesser von ungefähr 26 pm auf. Die lokale Kontaktstelle 301 weist somit einen Flächeninhalt in einem Bereich von ungefähr 0,08 mm2 bis 0,15 mm2, und typischerweise von ungefähr 0,12 mm2 auf.
Gemäß einem weiteren typischen Ausführungsbeispiel sind an der lokalen Kontaktstelle 301 zwischen dem ersten
metallischen Leiterelement 101 und dem zweiten metallischen Leiterelement 201 jeweils Atome aus einer Oberflächen- Monolage in Verbindung stehend. Ein Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche 102 des ersten metallischen
Leiterelements 101 mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche 202 des zweiten metallischen Kontaktierungselements 201 wird mittels eines Stromflusses über die Kontaktstelle 301 durchgeführt.
Hierbei werden gemäß einer weiteren Ausführungsform bei einem derartigen Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche 102 mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche 202 elektrische Nadelimpulse mit einer Zeitdauer in einem Bereich von 20 ns (Nanosekunden) bis 100 ms (Millisekunden) eingesetzt, typischerweise beträgt die Zeitdauer der Nadelimpulse des elektrischen Stroms, der für das Verschweißen eingesetzt wird, 100 ns .
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das mit weiteren Ausführungsbeispielen, welche hierin beschrieben sind, kombiniert werden kann, wird der Schritt eines Verschweißens der ersten Kontaktierungsstirnfläche 102 mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche 202 in einem Unterdruckbereich durchgeführt .
Fig. 6 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum elektrischen Verbinden eines ersten metallischen
Leiterelements, welches einen ersten Leiterquerschnitt aufweist, mit mindestens einem zweiten metallischen
Leiterelement, welches einen zweiten Leiterquerschnitt aufweist, veranschaulicht.
Das Verfahren gemäß einem Ausführungsbeispiel schließt
Schritte Sl bis S5 ein. In einem Schritt Sl wird das
Verfahren gestartet, woraufhin in einem Schritt S2 eine erste Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche eines ersten metallischen Leiterelements bereitgestellt wird. Ferner wird in einem nachfolgendem Schritt S3 eine zweite Kontaktierungsstirnfläche als eine Endfläche eines zweiten metallischen Leiterelements bereitgestellt. Die ersten und zweiten Flächen werden zueinander justiert und anschließend verschweißt (Schritt S4) . Die Justage der ersten
Kontaktierungsstirnfläche in Bezug auf die zweite
Kontaktierungsstirnfläche kann hierbei mittels eines
Mikroskops erfolgen.
Schließlich wird in dem Schritt S4 ein Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche mit der zweiten
Kontaktierungsstirnfläche an mindestens einer lokalen
Kontaktstelle durchgeführt. Gemäß einem typischen
Ausführungsbeispiel wird eines der ersten und zweiten
metallischen Leiterelemente 101, 201 fixiert, während das andere metallische Leiterelement mittels eines
elektromagnetischen Aktors in axialer Richtung bewegt werden kann. Die Stirnflächen der ersten und zweiten metallischen Leiterelemente 101, 201 stossen an den
Kontaktierungsstirnflächen aneinander und werden durch einen dosiert zugeführten Strom, welcher über die
Kontaktierungsstirnflächen fließt, miteinander plan
verschweißt. Die lokale Kontaktstelle weist einen
Flächeninhalt auf, welcher gleich oder kleiner als ein
Flächeninhalt mindestens einer der ersten oder zweiten
Leitungsquerschnitte ist. Das Verfahren wird in einem
Schritt S5 beendet.
Fig. 7 ist eine Seiten-Querschnittsansicht einer Testeinrichtung 400 zum Testen einer
Temperaturmessvorrichtung 100 gemäß einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen. Zum Testen der
Temperaturmessvorrichtung 100 dient ein Gasgemisch 404, welches in der gezeigten Richtung eines Pfeils D in einem Messrohr 403 nach rechts (Fig. 7) beschleunigt wird. Die Zündung des Gasgemisches 404 erfolgt mittels einer Zündkerze 412, wobei hohe Längsgeschwindigkeiten der Gasmischung in dem Messrohr 403 erzielt werden.
Das Messrohr 403 weist typischerweise eine Länge von 20 m auf, wobei stromaufwärts und stromabwärts des Messrohres jeweils ein Lichtsensor 408 angeordnet ist. Der stromaufwärts der Temperaturmessvorrichtung 100 angeordnete Lichtsensor 408 liefert ein erstes Detektorausgangssignal 409, während der stromabwärts der Temperaturmessvorrichtung 100 angeordnete Lichtsensor 408 ein zweites Detektorausgangssignal 410 liefert. Die Detektorausgangssignale 409, 410 ermöglichen mit Hilfe des Abstands der beiden LichtSensoren 408 in der
Messrohr-Längsachse eine Bestimmung der Geschwindigkeit des sich ausbreitenden, gezündeten Gasgemischs 404 entlang der Längsachse des Messrohrs 403. Ein Hilfstemperatursensor 411 ist stromabwärts des
Lichtsensors (Detektors) 408 zur Referenzmessung angeordnet. Über die gemessene Gasgeschwindigkeit des gezündeten
Gasgemisches 404 lässt sich nunmehr das dynamische Verhalten der Temperaturmessvorrichtung 100 in der Testeinrichtung 400 ermitteln.
Fig. 8 zeigt das Messrohr 403 in einer Querschnittsansicht, wobei eine Messstelle zur Erfassung des Gasgemisches 404 durch eine Laserstreueinrichtung gebildet ist. Zu diesem Zweck ist eine als Laser ausgebildete Lichtquelle 401
bereitgestellt, welche über eine Sendeoptik 402 Laserlicht in das Innere des Messrohrs 403 fokussiert. Ein an dem
vorbeiziehenden Gasgemisch 404 gestreutes Licht 406 wird über eine Empfangsoptik 407 auf einen Detektor 408 abgebildet.
Eine derartige Messeinrichtung kann entlang der Längsachse des Messrohrs 403 mehrfach angeordnet sein, derart, dass eine Ausbreitungsgeschwindigkeit des gezündeten Gasgemischs 404 entlang der Messrohr-Längsachse ermöglicht wird. Somit ergeben sich ja nach Position der Testeinrichtung 400
unterschiedliche Ausgangssignale, d.h. ein erstes
Detektorausgangssignal 409 und ein zweites, verzögertes
Detektorausgangssignal 410, welche anschließend in Bezug auf die Längsgeschwindigkeit in dem Messrohr 403 ausgewertet werden . Fig. 9 zeigt eine Signalverarbeitungseinrichtung 500 zur Auswertung einer Zeitdifferenz zwischen dem ersten
Detektorausgangssignal 409 (siehe Fig. 8) und dem zweiten Detektorausgangssignal 410 (siehe Fig. 8). Das erste
Detektorausgangssignal 409 wird einem ersten Komparator 501 zugeführt, während das zweite Detektorausgangssignal 410 einem zweiten Komparator 502 zugeführt wird. Es sei hier darauf hingewiesen, dass die in Kreisen eingepassten
Bezugszeichen in Fig. 9 Signalen entsprechen, die in dem Ablaufdiagramm der Fig. 9 dargestellt sind.
Somit dienen die ersten und zweiten Komparatoren 501, 502 dazu, die ersten und zweiten Detektorausgangssignale 409, 410 in digital weiterverarbeitbare Signale umzusetzen. Eine an den ersten und zweiten Komparator 501, 502 angeschlossene logische Verknüpfungseinheit 503 verknüpft die
Ausgangssignale der ersten und zweiten Komparatoren 501, 502 derart, dass immer dann, wenn sich der logische Ausgangspegel der Komparator-Ausgangssignale der einzelnen Komparatoren voneinander unterscheidet, ein Pulssignal gemäß dem
Ablaufdiagramm © ergibt.
Das Signal © wird schließlich einer Pulseliminationseinheit 504 zugeführt, welches einen der beiden entstehenden Pulse eliminiert. Der verbleibende Puls wird einem Invertierer 505 und anschließend einer Gattereinheit 506 zugeführt, welche entsprechend der Pulsdauer des verbleibenden, aus der
Pulseliminationseinheit 504 ausgegebenen Pulses ein
hochfrequentes Signal mit dem Puls verknüpft, derart, dass hochfrequente Pulse während einer Gatterzeit zu einem
Ausgabe-Invertierer 507 gelangen.
Ein Ausgabesignal des Ausgabe-Invertierers bildet schließlich ein Zeitdifferenzsignal 508, welches eine Zeitdifferenz zwischen dem ersten Detektorausgangssignal 409 und dem zweiten Detektorausgangssignal 410 und somit über einen bekannten Abstand zwischen den beiden Detektoren
(Lichtsensoren) 408 (siehe Fig. 7) eine Geschwindigkeit des gezündeten, sich ausbreitenden Gasgemisches 404
widerspiegelt. Mit einer auf diese Weise ermittelten
Gasgeschwindigkeit lässt sich nunmehr die
Ansprechgeschwindigkeit der Temperaturmessvorrichtung 100 gemäß mindestens einem der oben aufgeführten
Ausführungsbeispiele ermitteln.
Fig. 10 zeigt ein Temperaturmessdiagramm 600, bei welchem ein Temperaturverlauf 603 dargestellt ist. Eine Temperatur 602 ist als eine Funktion einer Zeit 601 dargestellt, wobei die Zeit zwischen 0,3 und 0,5 s läuft, während ein
Temperaturbereich von etwa 25°C bis 200°C dargestellt ist. Wie aus dem in Fig. 10 gezeigten Graphen eindeutig zu
erkennen ist, beträgt eine typische Anstiegszeit (90%- Anstieg) ca. 10 ms (Millisekunden) . Eine hohe
Messgeschwindigkeit wird somit erreicht, wobei die
Temperaturmessvorrichtung 100 auch für sich sehr schnell ausbreitende, gasförmige Medien eingesetzt werden kann.
Die Temperaturmessvorrichtung 100 gemäß mindestens einem der oben genannten Ausführungsbeispiele wird vorteilhaft
eingesetzt zur Messung eines zeitlichen Temperaturverlaufs i einer Explosionsfront in einem gezündeten Gasgemisch.
Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand
bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifi z ierbar .
Claims
1. Temperaturmessvorrichtung (100), umfassend: ein erstes metallisches Leiterelement (101) mit einem ersten Leiterquerschnitt (103) und einer ersten Leiterlängsachse (104), welches eine erste Kontaktierungsstirnfläche (102) als eine Endfläche senkrecht zu der ersten Leiterlängsachse (104) aufweist; mindestens ein zweites metallisches Leiterelement (201) mit einem zweiten Leiterquerschnitt (203) und einer zweiten
Leiterlängsachse (204), welches eine zweite
Kontaktierungsstirnfläche (202) als eine Endfläche senkrecht zu der zweiten Leiterlängsachse (204) aufweist, wobei die zweite Kontaktierungsstirnfläche (202) mit der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) an mindestens einer lokalen Kontaktstelle (301) elektrisch verbunden ist, wobei das erste metallische Leiterelement (101) und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement (201) aus unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle (301) einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte (103; 203) ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen
Leiterelement (201) verbundene Bestimmungseinrichtung (300), die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der
Kontaktstelle (301) auf der Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen
Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten
metallischen Leiterelement (201).
2. Temperaturmessvorrichtung (100), umfassend: ein erstes metallisches Leiterelement (101) mit einem ersten Leiterquerschnitt (103) und einer ersten Leiterlängsachse (104) ; mindestens ein zweites metallisches Leiterelement (201) mit einem zweiten Leiterquerschnitt (203) und einer zweiten Leiterlängsachse (204), wobei das erste metallische Leiterelement und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement an mindestens einer lokalen Kontaktstelle (301) elektrisch derart miteinander verbunden sind, dass die erste Leiterlängsachse und die zweite Leiterlängsachse im Bereich der lokalen Kontaktstelle koaxial verlaufen, wobei das erste metallische Leiterelement (101) und das mindestens eine zweite metallische Leiterelement (201) aus unterschiedlichen metallischen Materialien bestehen, und wobei die lokale Kontaktstelle (301) einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte (103; 203) ist; und eine elektrisch mit dem ersten metallischen Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten metallischen
Leiterelement (201) verbundene Bestimmungseinrichtung (300), die ausgelegt ist zur Bestimmung einer Temperatur der
Kontaktstelle (301) auf der Grundlage einer elektrischen Potentialdifferenz zwischen dem ersten metallischen
Leiterelement (101) und dem mindestens einen zweiten
metallischen Leiterelement (201).
3. Messvorrichtung (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei zwischen den ersten und zweiten Kontaktierungsstirnflächen eine Mischschicht ausgebildet ist.
4. Messvorrichtung (100) nach mindestens einem der
voranstehenden Ansprüche, wobei an der lokalen Kontaktstelle zwischen dem ersten metallischen Leiterelement und dem zweiten metallischen Leiterelement jeweils Atome aus einer Oberflächen-Monolage in Verbindung stehen.
5. Verfahren zum elektrischen Verbinden eines ersten
metallischen Leiterelements (101), welches einen ersten
Leiterquerschnitt (103) aufweist, mit mindestens einem zweiten metallischen Leiterelement (201), welches einen zweiten Leiterquerschnitt (203) aufweist, mit den Schritten:
Bereitstellen einer ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) als eine Endfläche des ersten metallischen Leiterelements (101) ;
Bereitstellen einer zweiten Kontaktierungsstirnfläche (202) als eine Endfläche des zweiten metallischen Leiterelements (201); und Verschweißen der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche (202) an mindestens einer lokalen Kontaktstelle (301), welche einen Flächeninhalt aufweist, der gleich oder kleiner ist als ein Flächeninhalt mindestens einer der ersten und zweiten Leitungsquerschnitte (103; 203) .
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die erste
Kontaktierungsstirnfläche (102) und/oder die zweite
Kontaktierungsstirnfläche (202) vor dem Schritt eines
Verschweißens mittels Schleifen planarisiert werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein Verschweißen in Richtung der Leiterlängsachsen durchgeführt wird.
8. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei der Schritt eines Verschweißens der ersten
Kontaktierungsstirnfläche (102) mit der zweiten
Kontaktierungsstirnfläche (202) mittels eines
Stromdurchflusses über die Kontaktstelle durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Schritt eines
Verschweißens der ersten Kontaktierungsstirnfläche (102) mit der zweiten Kontaktierungsstirnfläche (202) mittels
elektrischer Nadelimpulse mit einer Pulsdauer in einem
Bereich von etwa 20 ns bis 100 ms, typischerweise bei etwa 100 ns durchgeführt wird.
10. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei der Schritt eines Verschweißens der ersten
Kontaktierungsstirnfläche (102) mit der zweiten
Kontaktierungsstirnfläche (202) in einem Unterdruckbereich durchgeführt wird.
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE200910056724 DE102009056724A1 (de) | 2009-12-02 | 2009-12-02 | Temperaturmessvorrichtung und Herstellungsverfahren |
DE102009056724.0 | 2009-12-02 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2011067164A1 true WO2011067164A1 (de) | 2011-06-09 |
Family
ID=43566689
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/EP2010/068241 WO2011067164A1 (de) | 2009-12-02 | 2010-11-25 | Temperaturmessvorrichtung und herstellungsverfahren |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE102009056724A1 (de) |
WO (1) | WO2011067164A1 (de) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107246922A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-10-13 | 安徽春辉仪表线缆集团有限公司 | 一种测量模式可切换的热电偶结构 |
CN113834576A (zh) * | 2020-06-08 | 2021-12-24 | 创意电子股份有限公司 | 温度传感装置以及温度传感方法 |
Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1073125B (de) * | 1958-07-24 | 1966-01-13 | Siemens-Schuckertwerke Aktiengesellschaft Berlin Und Erlangen | Verfahren zum Verlöten von thermoelektnschen Kombinationen |
JP2000230867A (ja) * | 1999-02-10 | 2000-08-22 | Yamatake Building Systems Co Ltd | 熱電変換素子 |
-
2009
- 2009-12-02 DE DE200910056724 patent/DE102009056724A1/de not_active Ceased
-
2010
- 2010-11-25 WO PCT/EP2010/068241 patent/WO2011067164A1/de active Application Filing
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
ANONYMOUS: "Butt-welded unsheathed fine gage thermocouples", OMEGA ENGINEERING, 17 March 2003 (2003-03-17), pages A-13A - A-13B, XP002622688, Retrieved from the Internet <URL:http://web.archive.org/web/20030317052325/http://www.omega.com/Temperature/pdf/TOR-BW.pdf> [retrieved on 20110215] * |
CLIFFORD M. STOVER: "Method of Butt Welding Small Thermocouples 0.001 to 0.010 Inch in Diameter", THE REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, vol. 31, no. 6, June 1960 (1960-06-01), pages 605 - 608, XP002622686, Retrieved from the Internet <URL:http://scitation.aip.org/getpdf/servlet/GetPDFServlet?filetype=pdf&id=RSINAK000031000006000605000001&idtype=cvips&doi=10.1063/1.1931264&prog=normal> [retrieved on 20110215] * |
V M HICKSON: "The welding of thermocouple junctions", JOURNAL OF SCIENTIFIC INSTRUMENT, vol. 17, no. 7, 1 July 1940 (1940-07-01), pages 182 - 186, XP002622687, Retrieved from the Internet <URL:http://iopscience.iop.org/0950-7671/17/7/303/pdf/siv17i7p182.pdf> [retrieved on 20110215], DOI: 10.1088/0950-7671/17/7/303 * |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107246922A (zh) * | 2017-04-20 | 2017-10-13 | 安徽春辉仪表线缆集团有限公司 | 一种测量模式可切换的热电偶结构 |
CN113834576A (zh) * | 2020-06-08 | 2021-12-24 | 创意电子股份有限公司 | 温度传感装置以及温度传感方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE102009056724A1 (de) | 2011-06-09 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3566031B1 (de) | Thermometer | |
DE69837946T2 (de) | Durchflussmessung oder Messung anderer Eigenschaften eines Fluids mittels eines gemeinsamen Frequenzgenerators und Fast Fourier-Transformation (FFT) | |
DE69900480T2 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Wandabnutzung eines metallischen Behälters | |
DE10297359B4 (de) | Zerstörungsfreies Prüfverfahren | |
DE3788429T2 (de) | Verfahren und gerät zur messung von grössen bezüglich elektrisch leitender materialien. | |
DE102017100268A1 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur in situ Kalibrierung eines Thermometers | |
DE2942983C2 (de) | Meßeinrichtung zum Erfassen der Zusammensetzung von Gasen | |
EP3341746B1 (de) | Verfahren und anordnung zur bestimmung der querempfindlichkeit von magnetfeldsensoren | |
EP3535550B1 (de) | Verfahren zur herstellung eines fühlers für ein thermisches durchflussmessgerät, fühler, und durchflussmessgerät | |
EP3640651B1 (de) | Verfahren zum betrieb eines stromsensors und stromsensor | |
WO2011067164A1 (de) | Temperaturmessvorrichtung und herstellungsverfahren | |
EP3535549A1 (de) | Verfahren zur herstellung eines fühlers für ein thermisches durchflussmessgerät, fühler und durchflussmessgerät | |
DE102011008176A1 (de) | Thermoelektrischer Temperaturfühler | |
DE102005003832B4 (de) | Vorrichtung zum Messen der Temperatur von strömenden Fluiden | |
EP2914938B1 (de) | Luftmassenmesser | |
EP3640652A1 (de) | Verfahren zum betrieb eines batteriesensors und batteriesensor | |
EP4047305A1 (de) | Grenzschichtsensor und verfahren zur erfassung der dicke einer grenzschicht | |
EP2912413A1 (de) | Luftmassenmesser | |
DE102016223548A1 (de) | Simultan-Präzisionsverfahren zur Messung thermoelektrischer Eigenschaften und Kontaktwiderstände | |
EP3956639A1 (de) | Verfahren zur herstellung einer sonde eines thermischen durchflussmessgeräts, sonde eines thermischen durchflussmessgeräts und thermisches durchflussmessgerät | |
DE102019215754A1 (de) | Verfahren zum Betrieb eines Stromsensors und Stromsensor | |
EP4007903A1 (de) | Sensorelement zur erfassung von partikeln eines messgases in einem messgasraum | |
DE69515956T2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zum gleichzeitigen Messen des Ausbreitungsgrades und der Temperatur eines Risses in der Oberfläche eines leitfähigen Festkörpers | |
AT520758B1 (de) | Thermoelement, Temperaturmesssystem und Verfahren zur Herstellung eines Thermoelements | |
DE102020110108B4 (de) | Temperatursensor, insbesondere für automobile Anwendungen |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 10788278 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 10788278 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |