DE2139828A1 - Temperaturmesswiderstand - Google Patents

Description

6500 Mainz
Hattenbergstraße 10

Temperaturmeßwiderstand

Die Erfindung bezieht sich auf einen Temperaturmeßwiderstand.

Bekannt sind bereits NTC-Temperaturmeßwiderstände, Dies sind Heißleiter mit negativen Temperaturkoeffizienten aus η-leitenden Halbleitermaterialien. Ihr Widerstand nimmt um 2,5 % bis 4,5 % je Grad Celsius ab.

Die Forderungen, die hinsichtlich der Stabilität und Reproduzierbarkeit der Widerstandskennlinien der NTC-Widerstände gestellt werden, werden nur von bestimmten Me talloxiden bzw. oxidischen Mischkristallen mit einem gemeinsamen Sauerstoffgitter erfüllt. Es sind dies beispielsweise:

a) Mischkristalle aus Fe₃O₄ (Spinell) mit Stoffen, die ebenfalls Spinell-Gitterstrukturen aufweisen, wie z.B, Zn₃TiO₄ und MgCr₃O₄.

b) Fe₃O₃ mit Zusätzen von

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c) NiO oder CoO sowie Kombinationen dieser Oxide mit kleinen Zugaben von Li2O.

Die Temperaturabhängigkeit der NTC-Widerstände wird nährungsweise dargestellt durch die Beziehung

B/T R_T = A · e

Es bedeuten:

R : der Widerstand des Heißleiters bei der Temperatur T, gemessen in K,

A : eine von der Gestalt des Widerstandes abhängige Konstante mit der Dimension Ohm,

B : eine von der Gestalt und vom Werkstoff des Heißleiters abhängige Konstante mit der Dimension Grad Kelvin,

e : die Basis der natürlichen Logarithmen (e = 2,718).

Für den Temperaturkoeffizienten der NTC-Widerstände gilt:

τ - I § - .L ^XK R dT _T2

Typisch sind B-Werte in den Grenzen von 2 · 10 und 6 · 10^ ⁰K.

NTC-Widerstände werden durch Verpressen der aus den oben

en/

genannten Materialien^ gewonnen Rohmassen und anschließendes Sintern bei hohen Temperaturen hergestellt.

Ihr Temperatureinsatzbereich bewegt sich je nach Ausführungsform zwischen -25 ⁰C und maximal 350 °C.

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Diese relativ niedrige maximale Anwendungstemperatur ist ein großer Nachteil der bekannten NTC-Widerstände.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist ein Temperaturmeßwiderstand, der diese Nachteile der bekannten NTC-Widerstände nicht aufweist, den gleichen oder größeren Temperaturkoeffizienten besitzt, aber eine Anwendung in wesentlich höheren Temperaturbereichen, beispielsweise bis 700 C,ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Widerstandsmaterial aus Glaskeramik besteht.

Hierbei wird der mit der Temperatur stark veränderliche spezifische Widerstand von Glaskeramiken ausgenutzt. Als besonders vorteilhaft erweist sich der geringe lineare Ausdehnungskoeffizient der Glaskeramiken, der in der Größenordnung von 0 bis 30 * 10 /⁰C liegt und uneingeschränkte Verwendung der Temperaturmeßwiderstände bei rasch wechselnden Temperaturen und großen Temperaturunterschieden erlaubt. Die maximalen Anwendungstemperaturen liegen somit wesentlich über denen der bekannten NTC-Widerstände.

Erfindungsgemäß besteht das Widerstandsmaterial aus einer Glaskeramik mit großen negativen Temperaturkoeffizienten und weist Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als 30 · 10~⁷ /°c auf.

Im Gegensatz zu den NTC-Widerständen, deren Leitfähigkeit auf der Elektronenleitung beruht, wird die Leitfähigkeit der Glaskeramiken durch reine Ionenleitung verursacht. Die Leitfähigkeit hängt damit in erster Linie von der

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Konzentration und Beweglichkeit der Alkaliionen in der Glaskeramik ab. Der Leitungsprozeß ist dabei sehr komplex und wird von der Art und Zusammensetzung der Kristallphase und der Glasphase, als auch von den absoluten Mengen der Glas- und Kristallphase sowie von dem Gefügeaufbau beeinflußt. Als Heißleiter eignen sich daher vor allem alkalihaltige Glaskeramiken, insbesondere Glaskeramiken aus dem System SiO₂-Al₂O₃-Li₂O, da diese neben der erforderlichen Leitfähigkeit eine gute Temperaturwechselbeständigkeit infolge ihres geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 0 - 15 · 10 /⁰C aufweisen. Derartige Glaskeramiken sind beschrieben in den deutschen Offenlegungsschriften 1 596 855 und 1 596 860, sowie in der deutschen Patentschrift 1 596 858.

Wie bei Gläsern, so wird auch bei Glaskeramiken der Verlauf des spezifischen Widerstandes mit der Temperatur für Temperaturen unterhalb des Transformationsbereiches durch das Gesetz von Rasch und Hinrichsen beschrieben:

log. „ = A + Tp₁

das mit einer Umbenennung der Konstanten auch in der Form

geschrieben werden kann, womit die prinzipielle Übereinstimmung des Widerstandsverlaufes mit dem der NTC-Widerstände deutlich wird.

Der Wert der Konstanten B liegt - wie bei Gläsern zwischen 3 · 10 und 6 ·
zwischen + 1,5 und - 4,5.

zwischen 3 · 10 und 6 · 10 °K. Die Größe A bewegt sich

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Aus dem Rasch-Hinrichschen Gesetz erhält man durch Differenzieren den Temperaturkoeffizienten:

τ - i ± = ^B = - 2 303 2_

i ±— = - = 2 303 2_

^{K d T M}io ^{T T}

Eine Glaskeramik des oben erwähnten Systems ₂₂

Li₂O besitzt beispielsweise einen B-Wert von 4,75 · 10 ⁰K.

Damit erhält man bei 573 K einen Temperaturkoeffizienten ^ von - 3,3 % je Grad Celsius.

Glaskeramikheißleiter können nur mit Wechselstrom betrieben werden. Bei Verwendung von Gleichstrom verarmen die an der Leitung beteiligten Ionen und der Widerstand steigt in kurzer Zeit stark an.

Je nach der gewü-nschten Form werden Heißleiter aus Glaskeramik in einem ersten Verfahrensschritt durch die von der Glasverarbeitung her bekannten Techniken, wie Pressen, Walzen und Blasen, geformt und in einem zweiten Verfahrensschritt durch eine gezielte Wärmebehandlung in ein polykristallines Material umgewandelt. ä

Der Temperaturbereich, in dem Glaskeramik-Heißleiter verwendet werden können, wird nach oben begrenzt durch die Temperatur, bei der bleibende Veränderungen, beispielsweise durch ein Fortschreiten der Kristallisation, hervorgerufen werden. Nach unten ist der Einsatzbereich nur durch den für den jeweiligen Verwendungszweck noch tragbaren größten Widerstand begrenzt.

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In der Zeichnung sind dargestellt:

Figur 1

Die graphische Darstellung des typischen Verlaufs des Widerstandes in Abhängigkeit von der Temperatur für Temperaturmeßwiderstände gemäß der Erfindung.

Figuren 2 und 3

Zwei Ausführungsbeispiele von Temperaturmeßwiderständen gemäß der Erfindung.

Der in der Figur 2 dargestellte Temperaturmeßwiderstand kann beispielsweise dadurch hergestellt werden, daß eine Platindrahtschleife zwischen zwei noch nicht keramisierte Glaskeramikplättchen gelegt wird und dieser Sandwich dann unter Druck bei hoher Temperatur verschmolzen und gleichzeitig in den polykristallinen Zustand umgewandelt wird. Nach Abschluß der Temperaturbehandlung wird die Platindrahtschleife aufgetrennt und das Temperaturmeßelement durch Schleifen und Polieren in seine endgültige Form gebracht.

Figur 3 zeigt einen Glaskeramikgegenstand, und zwar eine Glaskeramikplatte, welche eine als Temperaturmeßwiderstand ausgebildete Zone 1 besitzt. Diese Zone 1 wird dadurch erzeugt, daß zwei Leitsilberstreifen 2 auf dieser Platte eingebrannt wurden. Die so abgegrenzte Zone kann bei der elektrischen Beheizung der Platte als Temperaturfühler zur Steuerung der Plattentemperatur dienen.Als vorteilhaft gegenüber der Verwendung eines Thermoelementes erweist es sich, daß die mittlere Temperatur einer Fläche und nicht nur die Temperatur eines Punktes erfasst wird.

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Claims (5)

Patentansprüche

1.1 Temperaturmeßwider st and, dadurch gekennzeichnet,, daß das Widerstandsmaterial aus Glaskeramik besteht«

2. Temperaturmeßwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial aus einer Glaskeramik mit großem negativen Temperaturkoeff!siebten besteht.

3.- Temperaturmeßwiderstand nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Glaskeramik des Widerstandsmaterials einen Wärmeausdehnungskoeffizienten kleiner als 30 · 10~⁷ /°C besitzt.

4. Temperaturmeßwiderstand nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Widerstandsmaterial aus einer Glaskeramik des Systems SiO₂-Al₂O₃-Li₂O besteht.

5. Temperaturmeßwiderstand nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Glaskeramikgegenstand bestimmte Meßbereiche durch abgrenzende Kontakte aufweist, ä

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