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Integriergerät Die Erfindung betrifft das Messen der Intensität eines
überlagerten Zusammenwirkens von Zeit unu Temperatur und insbesondere eine verbesserte
Anordnung für die Erzeugung eines elektrischen Signals, dessen Wert oder Intensität
dem überlagerten Zusammenwirken bzw. dem Integralwert von Zeit und Temperatur proportional
ist.
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Der Zeitpunkt des Versagens von Maschinenteilen, die hohen Temperaturen
und hohen Geschwindigkeiten ausesetzt sind, wie z. B. Düsenmotoren, ist eine Funktion
des produkts von Temperatur und Zeit, wobei die lebensdauer dieser Teile grundsätzlich
eine Funktion des Integrales des @rodukts von Temperatur und Zeit ist. Venn z. B.
in einem Düsenmotor die Schaufeln hohen Temperaturen ausgesetzt werden, ist der
Bruch der Schaufeln häufig das Ergebnis eines kontinuierlichen Abnehmens der Festigkeit
ihres Werkstoffes, wobei dieses Abnehmen der Festigkeit bei Dauerbeanspruchung dem
Integral von Zeit und Temperatur proportional ist. bs ist daher eine genaue und
einfache Einrichtung zuin tegistrieren des Verhaltens im Betrieb dieser Teile im
laufe der Zeit erforderlich, um den Zeitpunkt des Ersetzens oder des Uberholens
nicht zu versaumen. Aufzeichnungen der Demperatur und der Zeit können durch Verwenden
bisner üblicher Instrumente, z. B. von Thermoelementen und Registrierapparaten gewonnen
werden. Diese Instrumente sind jedoch verhältnismäßig teuer, nehmen zu viel ftaum
in Anspruch und sind für das Anbringen in Flugzeugen ungeeignet.
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Das Integrieren der Produkte von Temperatur- und zeitangaben ist ebenfalls
verhältnismaßig teuer und aus räumlichen Gründen unerwünscht.
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Ein Zeit-Temperatur-Integrierinstrument zur Verwendung in Fahrzugen,
wie z B. Flugzeugen, sollte vorzugsweise raumsarend-und leicht sein und keinerlei
bewegte Teile besitzen. orzugsweise sollte ein solches Integrierinstrument stabil,
stoßfest und schwingungsfrei angeordnet und verhältnismaßig billig sein.
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Zweck der Erfindung ist vor allem ein kleines und leichtes Zeit-Temperatur-Integrierinstrment
ohne bewegte Geile herzustellen.
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Ein anderes Ziel der Erfindung ist ein verbessertes Zeit-Temperatur-Integrierinstrument
für Flugzeuge oder andere Fahrzeuge.
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Ein weiteres Ziel der Erfindung ist ein verbessertes Zeit-Temperatur-Integrierinstrument
herzustellen und ein möglichst einfaches und billiges Integriersystem zu gewährleisten.
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Die weiteren Zwecke und Vorteile dieser Erfindung ergeben sich aus
der beschreibung und die @erkmale der Neuheit ergeben sich insbesondere aus den
Patentansprüchen.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung befinden sich innerhalb der
Instrumente zwei voneinander verschiedene Werkstoffe, deren einer elektriscL leitend
und deren anderer so angeordnet ist, daf ihre innige Berührung gewährleistet ist,
sowie auch Mittel, um diese kombinierte unordnung einer mit einer Zeit zu integrierenden
Temperatur auszusetzen0 Die Veränderung des elektrischen Widerstandes durch Fes
perdiffusioneis Funktion von Zeit und Temperatur z. s. durch ein in einer gemeinsamen
Stromkreis mit einer Spannungsquelle geschaltetes elektrisches Instrument oder durch
andere Mittel angezeigt.
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Fig. 1 ist eine schematische Darstellung eines Integriersystems gemäß
der Erfindung;
Fig. 2 ist ein vuerschnitt eines gemäß der Erfindung
hergestellten Zeit-Temperatur-Integrierinstruments; Fig. 3 ist ein querschnitt der
binzelteile der brücke nach Big. 1; Fig. 4 und 5 veranschaulichen weitere Ausführung'sbeispiele
des in Figur 2 veranschaulichten Instruments; Fig. 6 ist eine graphische Darstellung
des der Erfindung zugrunde liegenden Prinzips.
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Gemäß Figur 1 sind die beiden primären Detektoren 1 und 2 so miteinander
verbunden, daß sie die benachbarten Zweigleitungen einer Wheatstone'schen Brücke
3 bilden. Die anderem Zweigleitungen dieser Brücke entsprechen den Impedanzen 4
und ». Die batterie 6 oder eine andere Spannudgsquelle ist zwischen die Klemmen
7 und 8 der Drücke geschaltet, während das Millivoltmeter 9 oder ein anderes Registrierinstrument
zwischen die Klemmen 10 und 11 geschaltet ist, Die primären Zeit-Temperatur-Detektoreinheiten
1 und 2 sind aus zwei Werkstoffen hergestellt, die sich in inniger Berührung miteinander
befinden. Gemäß dem in Figur 2 veranschaulichten Querschnitt kann die Ausführung
so er-, 1 folgen, da einer der Werkstoffe 15 konzentrisch durch den anderen umschlossen
ist. Dies kann durch verschiedenartige, dem Durchschnittsfachmann bekannte Galvanisierungsverfahren
oder durch das Stauchen oder Ziehen von Duplexstäben herbeigeführt werden, wobei
ein Metallkern aus einem Metall mit einer aus dem anderen Metall bestehenden Hülle
umgeben wird. Metallstreifen können mit dem anderen material galvanisch überzogen
werden und nachher zu geeigneten Formen gestanzt werden. Ein Material kann durch
ein anderes in flüssiger Form oder in Gasform umgeben sein.
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Eine andere Methode, um die gewünschte Berührung zwischen den verschiedenartigen
Werkstoffen herbeizuführen, ist,
die Drähte 17 und 18 gemäß Figur
4 zu verseilen. Die innige Berührung zwischen den beiden Drähten kann durch Stauchen
und/oder Ziehen des zusammengefügten Drahtes verbessert werden. Der Aufbau der primären
Detektorelemente 1 und 2 ist nicht notwendigerweise auf die Verwendung von zwei
verschiedenen Werkstoffen beschränkt, sondern drei-oder mehr voneinander verschiedene
Werkstoffe können zum Zwecke des Erreichens der gewünschten Widerstandscharakteristik
zusammengefügt werden. Zum Beispiel kann ein Geflecht gemäß Figur 4 zusätzliche
Drähte 19 umfassen.
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Zahlreiche Werkstoffe sind nicht genügend gut formbar, um sie zu Streifen
zu walzen oder zu Drähten zu ziehen. Gemß Figur 5 kann ein aus einem pulverförmigen
werkstoff gepreßter Gegenstand aus einem homogenen Gemenge von Pulvern von zwei
oder mehr Werkstoffen hergestellt werden.
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Gemenge von pulvern 20 können zum Füllen einer rohrförmigen Hülse
oder umhüllung 21 herangezogen werden. Die Umhüllung wird nachher versiegelt, um
durch eie Anwenden eines Preßdruckes die pulverförmigen werkstoffe in enge Berührung
untereinander zu bringen. Bei der Herstellung solcher Kugeln muß der Preßdruck sorgfältig
geregelt werden und die Größe, Form und Verteilung der einzelnen Drahte sorgfältig
gewählt werden, da durch Variieren sowohl des Preßdruckes als auch der Größe, Form
und Verteilung der Teilchen zum Zwecke einer Veränderung der charakteristischen
tigenschaften des Materials verndert werden können.
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Im Falle von Halbleitern können die reinen gepreßten Kugeln mit dem
nachher auf die Oberfläche der Kugeln gebrachten Diffusionematerial gesintert werden.
Die Kugel kann nachher verkapselt oder glasiert (geschliffen) werden, um sie unter
ungünstigen atmos£härischen- Einflüssen verwenden zu können Während die Grunds£-tze
der Festkörperdiffusion nicht vollständig bekannt sind, die in-den prim@ren Detektoren
stattfind
-en, sobald sie einer höheren Temperatur ausgesetzt werden,
wird ein Diffusionsvorgang herbeigeführt, welcher eine Veränderung des Widerstandes
der primären Detektoren 1 und 2 ergibt. Dieser Vorgang entspricht in den meisten
Füllen folgender Gleichung; D = Doe -RT wobei d. = Diffusionskonstante D@ = Selbstdiffusionskoeffizient
e = elektronische ladung = = Aktivierungsenergie in cal/g mol R = = 1,98 Gaskonstante
T = = Temperatur in. 0K D0 und e sind Konstanten des Werkstoffes oder der etalle
der Detektoren 1 und 2; falls die Konstanten verhaltnismäßig niedrige Zahlen sind,
handelt es sich um ein einem starken Verschleiß ausgesetztes Teil, und hohe Zahlenwerte
bedeuten eine lange lebensdauer dieses Teils. Es ist daher erforderlich, solche
ierk-stoffe zu nehmen, welche während der Lebensdauer des in Rede stehenden Teiles
einen Höchstbetrag an Diffusion ergeben.
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Die Konstante a E ist eine Funktion der Temperaturabhängigkeit von
D. Die Bedeutung der Konstanten D0 kann durch Verandern des Ausmaßes der Berührung
zwischen den diffundierenden Teilen verndert werden.
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Zum Beispiel haben Versuche mit gepreßten metallpulvern, die gemäß
Figur 5 verarbeitet wurden, ergeben, daß die Art der Zusammensetzung der Metalle
den Temperaturbereich und die erforderliche Zeit für eine praktische beendigung
des Diffusionsprozesses bestimmt.
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Ein Nickel und 10 p Titanhydrid (TiH2) enthaltender primärcr Detektor
wurde für die Verwendung bei 4000C geeignet befunden, Unter diesen Bedingungen wurde
der Widerstand in
36 Tagen um 533 % erhöht, wobei ein im wesentlich
linearer Verlauf der Erhöhung festgestellt wurde. Der Widerstand des gleichen Werkstoffes
wurde bei einer Temperatur von 5000C in 11 Tagen um 410 /, bei linearem Verlauf
erhöht.
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Ein Gemenge von Nickel mit 10 % Alnico 7 ergibt auf Grunddes oben
beschriebenen Diffusionsprozesses Widerstandsveränderungen, wobei der Widerstand
bei 400°C in 31 Tagen um 44 % erhöht wird. Bei 5000C betrug die Erhöhung in 6 Tagen
95 % und bei 6000C in 23 Tagen 480 %.
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Die Versuchsresultate verschiedener Werkstoffe sind gemäß Tabelle
1 folgende: Stabzusammen- Temperatur Anzahl d. Veränderung d. setzung 0 C Tage Widerstands
Ni/10 0 % % Mn 400 36 + 118 500 11 + 160 Ni/ 2 % Si 400 32 + 66 500 6 + 68 Ni/10
% Cr 600 21 - 70 Aus den obigen Angaben ist zu ersehen, daß gewisse Werkstoffe,
wie z.B. Chrom und Nickel, den 7Widerstand der kombinierten Metalle der primären
detektoren 1 und 2 reduzieren. Die Beziehung zwischen dem spezifischen Widerstand
und dem Ausmaß der vollzogenen Reaktion kann positiv oder negativ, linear odennichtlinear
sein, gemäß den verwendeten Werkstoffen. Einige Halbleiter wie Silizium oder Gern;anium
bringen ein verhältnismaßig großes Ausmaß von Widerstand mit sich und große lineare
Veränderungen in dem spezifischen diderstand bei unreiner Konzentration.
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In Figur 6 ist die Veränderung des Widerstandes mit der Zeit von Nickel-10
7o-Titanhydrid graphisch veranschaulicht.
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Die Metalle der Detektoren i und 2 können so gew:hlt werden,
daß
sie eine gewisse ideratandsanderungsgeschwindikelt durch Diffusion für gewählte
Temperaturen und Reaktionszeiten ergeben. Bei richtiger Wahl der Werkstoffe und
des Verfahrens ist es möglich, die Veränderung des elektrischen leitvermögens der
Veranderung der Festigkeit verschiedener Materialien für Düsenmotorschaufeln oder
anderer geprüfter Teile proportional zu machen. Der optimale Erfolg mag von dem
Charakter der atmosphärischen Bedingungen, denen die primären Detektoren ausgesetzt
sind, abhängig sein, da gewisse Metalle für die Verwendung unter gewissen Bedingungen,
wie z. B. oxydierenden Einflüssen der Atmosphäre, ungeeignet sind.
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Die Impedanzen 4 und 5 sind in Figur 1 als veränderliche Impedanzen
dargestellt und können zweckmäßig Impedanzen in Serienschaltung mit veränderlichen
Widerständen umfassen.
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Für gewisse Fälle können die Impedanzen 4 und 5 identisch mit den
Impedanzen der primären Detektoren 1 und 2 sein,-nachdem die vollständige Diffusion
stattgefunden hat, d.h. die in Figur 1 veranschaulichten Impedanzen können dieselbe
Kombination von metallen wie die rimren Detektoren 1 und 2 umfassen.
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Die primären Detektoren 1 und 2 werden durch das Unterstützungsglied
12 gemäß Figur 1 in ihrer Lage gehalten.
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Durch das Verwender der Impedanzen 4 und 5 wird das Gleichgewicht
hergestellt, so daß das Instrument 9 den Wert 0 anzeigt. Während über gewisse Zeit
die Metalle höheren Temperaturen ausgesetzt werden, erfolgt eine Diffusion des zweiten
Metalls in das erste der primären Detektoren 1 und 2, wodurch die Brücke in zeit-temperaturabhäniger
Weise aus der Gleichgewichtslage gebracht wird. Die durch das Instru-' ment 9 gemachte
Anzeige der Außergleichgewichtslage der Brücke ist eine Funktion des Integrals von
eit und Temperatur.