DE2047539A1

DE2047539A1 - Thermoelement

Info

Publication number: DE2047539A1
Application number: DE19702047539
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing.;'Eggert Erwin; Schückle Gert; 7501 Leopoldshafen. MP GOIl 1-16 Schmidt
Original assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Current assignee: Gesellschaft fuer Kernforschung mbH
Priority date: 1970-09-26
Filing date: 1970-09-26
Publication date: 1972-03-30
Also published as: DE2047539C3; FR2108462A5; GB1367319A; US3819420A; DE2047539B2

Description

GESELLSCHAFT FÜR 75 Karlsruhe, den 25. 9.1970

KERNFORSCHUNG MBH PLA 70/40 Sdt/jd

Thermoelement.

Die Erfindung betrifft ein Thermoelement, bestehend aus einem, den einen Schenkel des Thermopaares bildenden,abgeschnittenen Taylor-Draht, der

koaxial in ein Glas-Kapillarrohr eingeschmolzen ist, sowie aus einem, das j

Glas-Kapillarrohr mindestens teilweise koaxial umgebenden Metallrohr, das die Ableitung des anderen thermoelektrischen Schenkels bildet.

Bei Anwendung des Prinzips der Temperaturmessung auf thermoelektrischem Wege besteht für die Messung schneller Temperaturänderungen die Schwierig- · keit der Wärmeübertragung an die Meßstelle und das Ansprechvermögen der Meß stelle selbst.

Die Schnelligkeit mit der ein Thermoelement auf eine Temperaturänderung an spricht und eine Gleichgewichtstemperatur im Kontakt mit dem umgebenden

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Medium erreicht, hängt ab von dem Wärmetausch zwischen Umgebung und Meßstelle und von der Wärmeaufnahmefähigkeit der Meßstelle selbst. Die Betrachtung der physikalischen Abläufe (Wärmeübergang, Wärmeleitung) zur Optimierung der Genauigkeit und Ansprechgeschwindigkeit führt zur Geometrie des Thermoelementes. Man definiert das Ansprechvermögen eines Thermoelementes durch seine Zeitkonstante, als die Zeit Y , in der 63, 2 % der zu übertragenden Temperaturdifferenz angezeigt wird.

Es sind nun Miniaturthermoelemente (Draht-Thermoelemente)bekannt, die im ψ allgemeinen durch Verkleinerung der Standardteile hergestellt werden, um dadurch das Ansprechvermögen zu steigern. Diesem Verfahren sind jedoch

je nach Aufbau des Thermoelementes fertigungstechnische Grenzen gesetzt, üblicherweise werden Mantelthermoelemente mit zwei Meßdrähten angeboten, wobei das gängige Adernmaterial Nickelchrom-Nickel ist. Thermoelemente mit isolierter Meßstelle haben im allgemeinen 0, 25 mm Durchmesser, solche mit unisolierter Meßstelle 0, 5 mm Durchmesser. Die niedersten und optimal erreichbaren Zeitkonstanten liegen im Bereich etwa von mehreren

Hundertstel Sekunden.

Die Erfindung hat nun zur Aufgabe, ein Thermoelement mit dazugehörigem ψ Herstellungsverfahren zu schaffen, das die Messung sehr rascher, definierter Temperaturänderungen mit Zeitkonstanten im ms-Bereich gestattet. Desweiteren sollen bei der Umströmung des Thermoelementes mittels strömung sfähiger Medien exakte Strömungsverhältnisse ohne Wirbel-und Kavernenbildung an der Spitze des Thermoelements sichergestellt sein.

Zur Lösung der Aufgabenstellung bietet eich als Ausgangsmaterial für das . zu schaffende Thermoelement der bekannte Taylor-Draht an, auf den in der Beschreibung näher eingegangen wird. Erfindungsgemäß besteht die Lösung der Aufgabe darin, daß die aus dem einen Thermomaterial bestehende Metallseele des Taylor-Drahts durch eine mindestens gerade noch elektrisch leitfähige

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Schicht des anderen Thermomateriales mit dem Metallrohr verbunden ist und so an der Berührungsstelle von Metallseele und Schicht die thermoelektrisch' wirksame Meßstelle bildet. Dabei kann der in das Glas-Kapillarrohreingeschmolzene Taylor-Draht aus diesem mindestens teilweise herausragen. Weiterhin schließt in einer besonders vorteilhaften Weise die Metallseele am freiliegenden Ende in der Querschnittsebene bündig mit der Quarzglasummantelung des Taylor-Drahtes ab und umhüllt eine, wenige μτη dicke Schicht das freiliegende Ende des Taylor-Drahtes bis zum Rand des Metallrohres, wobei die Schicht aus dem aufgedampften, chemisch oder elektrisch niedergeschlagenen Material des Metallrohres besteht. Eine besonders günstige Ausführungsform besteht darin, daß das Glas-Kapillar rohr mit dem koaxial eingeschmolzenen Taylor-Draht im Bereich außerhalb des Metallrohres um 90 umgebogen ist./Lösung der Aufgabenstellung bezüglich des Herstellungsverfahrens für das Thermoelement besteht darin, daß der Taylor-Draht nach dem Einschmelzen in das Glas-Kapillarrohr gemeinsam mit diesem umgebogen und erst dann abgeschnitten wird, so daß die Metallseele freigelegt wird, daß das Glaskapillar rohr in das Metallrohr eingeschmolzen wird und daß danach zwischen Metallrohr und Stirnflächen der Metallseele durch Niederschlag einer dünnen Metallschicht entsprechenden Materiales sowohl die eigentliche thermoelektrische Meßstelle als auch gleichzeitig die ZuleLtungsverbindung mit dem Metallrohr hergestellt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 das gesamte Thermoelement im Längsschnitt, Figur 2 ein Detail an der Meß spitze de selben,

Figur 3 das Oszillogramxn eines Meßvorganges, der mit dem erfindungsgemäßen Thermoelement aufgenommen wurde.

Wie schon erwähnt, basiert das erfindungsgemäße Thermoelement auf dem sogenannten Taylor-Draht. Der Taylor-Draht besteht aus einer sehr dünnen

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Metallseele, die mit einer dünnen Quarzglas schicht ummantelt ist und wird nach einem speziellen Verfahren hergestellt. Das Verfahren besteht darin, daß ein System, bestehend aus einem Glasrohr, in das Metallfaden eingebracht ist, unter Zuführung sehr großer Strahlungswärme ausgezogen wird. Aus dem Glasrohr entsteht dabei ein dünner Glashohlfaden, der den aus einer flüssigen Schmelze erstarrten, sehr dünnen Metallfaden enthält. Auf diese Weise lassen sich Drahtdurchmesser von weniger als 1 μητι herstellen.

Ein so gewonnener, dünn mit Quarzglas ummantelter Mikrodraht stellt den Innenleiter eines Thermoelementes, wie aus der Figur 1 und 2 hervorgeht, dar. Der Taylor-Draht 1, der aus der Metallseele 6 und dem Quarzglas- W mantel 7 besteht, ist in ein Glaskapillarrohr 4 eingeschoben und mit diesem

verschmolzen. Das Glaskapillar rohr 4 ist seinerseits in ein Metallrohr 2 eingebracht und mit diesem verschmolzen. Dabei ragt der Taylordraht 1 aus dem Glas-Kapillarrohr 4 und dieses wiederum aus dem Metallrohr 2 mindestens teilweise heraus. Bei einer speziellen Ausführungsform des Thermoelementes zur Untersuchung von Dampfblasen ist das Glaskapillarrohr

4 mit dem koaxial eingeschmolzenen Taylor-Draht 1 im Bereich außerhalb

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des Metallrohres 2 um 90 gebogen, um z.B. vertikal aufsteigende Gasblasen

besser erfassen zu können. Der Abschluß des Metallrohres 2 in Richtung auf die Spitze 5 des Thermoelementes wird durch den Rand 8 gebildet. Die Spitze, bzw. Meßstelle 5 des Taylor-Drahtes 1, wird durch eine Drahtquer- W schnittsebene gebildet, in welcher die Metallseele 6 mit der Quarzglasum-

mantelung 7 bündig abschließt, (siehe Figur Z). Die gesamte Außenseite der Anordnung von der Spitze 5 bis zum Rand 8 des Metalirohres 2 ist mit einer mindestens gerade noch elektrisch leitfähigen Schicht 3 des einen thermoelektrischen Materials ummantelt. Die Metallseele 6 des Taylor-Drahtes besteht nun aus dem zweiten thermoelektrischen Material. Dadurch entsteht an der Spitze 5 eine Fläche von wenigen μπι Me tall seelenquer schnitt, die mit einer wiederum sehr dünnen Metallschicht von wenigen μπι beschichtet ist. Bei der Verwendung verschiedener thermoelektrischer Materialien für Metall seele 6 und Schicht 3 wird dadurch eine thermoelektrisch wirksame Stelle

5 von kleinster Maese gebildet. Die Rückleitung der dünnen Schicht 3 zu dem

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entsprechenden Meßgerät erfolgt durch das Metallrohr 2, das aus demselben Material wie die Schicht 3 bestehen muß. Die Verbindung zwischen Metallrohr 2 und Schicht 3 am Rand 8 kann durch Aufbringen einer Zwischenübertragung sschicht 9, die z.B. vorteilhafterweise aus Metallpulver-Epoxidharzlösung bestehen kann, verbessert werden. Die Metallschicht 3 wird vorzugsweise durch chemisches Niederschlagen, durch Kathodenzerstäubung, Aufdampfen oder Besprühung auf den Quarglasmantel 7 bzw. das Glas-Kapillarrohr 4 aufgebracht. Dieser sehr dünne, noch durchsichtige aber mindestens sehr gut elektrisch leitfähige Niederschlag wird ggf. an den beanspruchten Stellen wie an der Biegung, gezielt galvanisch verstärkt.

Welch gute Ergebnisse mit einem erfindungsgemäßen Thermoelement der beschriebenen Bauart erzielt werden kann, zeigt die Abbildung eines Oszillogramms, wie es in Figur 3 dargestellt ist. Dabei handelt es sich um ein Thermoelement, dessen Metallseele 6 aus Konstantan und dessen zweite thermoelektrisch wirksame Schicht 3 aus Silber gebildet wird. Der Metallseelenquerschnitt beträgt etwa 5 μΐη und die Dicke der zweiten thermoelektrischen Schicht an der Spitze 5 beträgt etwa 2μτη. Die Kurve nach der Figur 3 ist durch Betropfen des Thermoelementes mit heißem Wasser gewonnen. Die Verweilzeit des Tropfens an der Thermoelementspitze von ca. 5 ms reicht aus, um die volle Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Wassertropfen anzuzeigen. Die Zeitkonstante bei dem vorliegenden Thermoelement nach der Erfindung beträgt etwa 1 ms.

Das Thermoelement wird nach einem speziellen Herstellungsverfahren gefertigt: .

Dabei wird zunächst der Taylor-Draht 1 in das Glas-Kapillarrohr 4 eingeschmolzen. Anschließend werden beide gemeinsam umgebogen. Erst dann kann der Taylor-Draht abgeschnitten werden, um eine saubere Stirnfläche mit bündig liegender Metallseele zu erhalten. Nach Einschmelzen des Glas-KapiUarrohre 4 in das Metallrohr 2 wird zwischen Metallrohr 2 und Stim- £ttche der Metallseele 6 durch Niederschlag einer sehr dünnen Metallschicht

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einerseits die eigentliche thermoelektrische Meßstelle 5 als auch gleichzeitig die Zuleitungsverbindung mit dem Metallrohr 2 hergestellt. Die Beschichtung erfolgt in zweckmäßigerweise zunächst durch chemischen Niederschlag und wird anschließend galsvanisch verstärkt. Zu vor müssen jedoch alle Oberflächen sorgfältig entfettet werden.

Ein nach diesem Verfahren hergestelltes, erfindungs gemäß es Thermoelement löst die Aufgabenstellung in vorteilhafter Weise:

Bei einwandfrei definierbaren Strömungsverhältnissen an der Spitze wird ein ™ Thermoelement geschaffen, dessen Zeitkonstante in der Größenordnung von

einer Millisekunde liegt. Diese wird dadurch etwa um einen Faktor 10 verbessert. Dadurch wird die Messung sehr rascher Temperaturänderungen, die sich in sehr geringen Temperaturdifferenzen (z.B. Untersuchung von Verdampfungserscheinungen) bewegen können, ermöglicht. Dabei sind beliebige Geometrien des Thermoelementes durch entsprechende Biegung des Glas-Kapillarrohres möglich.

Claims

Patentansprüche:

\.JThermoelement, bestehend aus einem, den einen Schenkel des Thermopaares bildenden abgeschnittenen Taylor-Draht, der koaxial in ein Glas-Kapillarrohr eingeschmolzen ist, sowie aus einem, das Glas-Kapillarrohr mindestens teilweise koaxial umgebenen Metallrohr, das die Ableitung des anderen thermoelektrisch^! Schenkels bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem einen Thermomaterial bestehende Metallseele (6) des Taylor-Drahtes (1) durch eine/f mindestens gerade noch elektrisch leitfähige Schicht (3) des anderen Thermomateriales mit dem Metallrohr (2) verbunden ist und so an der Berührungsstelle von Metallseele (6) und Schicht (3) die thermoelektrisch wirksame Meßstelle (5) bildet.
2. Thermoelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in das Glas-Kapillarrohr (4) eingeschmolzene Taylor-Draht (1) aus diesem mindestens teilweise herausragt.
3. Thermoelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallseele (6) am freiliegenden Ende (5) in der Querschnittsebene bündig mit der Quarglasummantelung (7) des Taylor-Drahtes (1) abschließt und daß eine, wenige μπα dicke Schicht (3) das freiliegende Ende (5) des Taylor-Drahtes (1) bis zum Rand (8) des Metallrohres (2) umhüllt, wobei die Schicht (3) aus dem aufgedampften, chemisch, oder elektrisch niedergeschlagenen Material des Metallrohres (2) besteht.
4. Thermoelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Glas-Kapillar rohr (4) mit dem koaxial eingeschmolzenen Taylor-Draht (1) im. Bereich außerhalb des Metallrohres (2) um 90 gebogen ist.
5. Thermoelement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kontaktverbesserung zwischen Stirnflächen der Schicht (3) und des Metall-

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rohres (2) über dem Rand (8) eine Zwischenübertragungsschicht (9) aus z. B. Metallpulver-Epoxidharz-Lösung aufgebracht ist.
6. Verfahren zur Herstellung eines Thermoelementes nach Anspruch 4 aus einem Taylor-Draht, dadurch gekennzeichnet, daß der Taylor-Draht (1) nach dem Einschmelzen das Glas-Kapillarrohr (4) gemeinsam mit diesem gebogen und erst dann abgeschnitten wird, so daß die Metallseele (6) freigelegt wird, daß das Glas-Kapillarrohr (4) in das Metallrohr (2) eingeschmolzen wird, und daß danach zwischen Metallrohr (2) und Stirnfläche der Metallseele (6) durch Niederschlag einer dünnen Metallschicht (3)
Ik entsprechenden Materials sowohl die eigentliche thermoelektrische Meßstelle (5) als auch gleichzeitig die ZuIeitungsverbindung mit dem Metallx (Z) hergestellt wird.

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