DE2503591A1

DE2503591A1 - Widerstands-temperaturfuehler

Info

Publication number: DE2503591A1
Application number: DE19752503591
Authority: DE
Inventors: Kenneth George Rendle
Original assignee: Rosemount Engineering Co Ltd
Current assignee: Emerson Process Management Ltd
Priority date: 1974-02-19
Filing date: 1975-01-29
Publication date: 1975-08-21
Also published as: GB1454816A; US3939557A

Description

Widerstands-Temperaturfühler

Die Erfindung betrifft Widerstands-Temperaturfühler.

Eines der Probleme, das bei der Herstellung von Widerstands -Temperaturfühlern auftritt, ist die Schwierigkeit des Abgleiche der Fühler derart, daß sie einen gewünschten Wert des elektrischen Widerstandes bei einer bestimmten Temperatur haben.

Oft ist es erwünscht, Widerstandstemperaturfühler mit im wesentlichen den gleichen Betriebseigenschaften zu haben, um die Notwendigkeit der erneuten Eichung der Temperaturmeßanlage zu vermeiden, in der die FühLer verwendet werden, wenn ein Fühler gegen einen anderen der gleichen Art ausgewechselt wird. Um Fühler mit gleichen Eigenschaften herzustellen, ist es notwendig, sicherzustellen, daß die Fühler gleiche Widerstandstemperaturkoeffizienten haben, und auch daß die Widerstände aller Fühler bei einer Bezugstemperatur im wesentlichen gleich sind. Typischerweise ist die verwendete Bezugstemperatur diejenige

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von schmelzendem Eis, d.h. O⁰C, und der Widerstand eines Fühlers bei dieser Temperatur wird als der Gefrierpunktwiderstand bezeichnet.

Es sind zahlreiche Möglichkeiten bekannt, elektrisch leitende Bahnen aus Materialien mit vorbestimmtem Widerstandstemperaturkoeffizienten zu erzeugen. Die vorliegende Erfindung befaßt sich jedoch insbesondere mit dem Abgleich der elektrisch leitenden Bahnen von Widerstandstemperaturfühlern, um einen gewünschten Gefrierpunktwiderstand zu erhalten.

In der US-PS 3 114 125 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Temperaturfühlers beschrieben, bei dem ein spiralförmiger Widerstandsdraht mit bestimmtem Widerstand in einer Bohrung bzw. Bohrungen in einem keramischen Rohr angeordnet wird. Das keramische Rohr des Fühlers hat an einer Seite eine sich in die Bohrung erstreckende öffnung, und der Fühler wird dadurch abgeglichen, daß ein Teil des Widerstandsdrahts durch die Bohrung herausgezogen wird, um die effektive Länge des Drahtes zwischen den Anschlußleitungen für den Fühler zu verringern, bis der Widerstand des Fühlers einen geforderten Wert hat.

Die der GB-PS 1 025 501 ist ein ähnliches Verfahren zur Herstellung eines Widerstands-Temperaturfühlers beschrieben. Jedoch wird bei diesem Verfahren ein Teil des Widerstandsdrahts an einer Stelle zwischen seinen Enden durch eine öffnung herausgezogen, die sich in die Bohrung erstreckt, und die so herausgezogene Schleife wird verdreht, um die Schleife kurzzuschließen. Das Herausziehen und Verdrehen wird fortgesetzt, bis der Widerstand des Drahtes, der zwischen seinen Enden gemessen wird, für die Betriebstemperatur erreicht ist.

Bei den beiden zuvor erwähnten Abgleichverfahren wird der in dem Fühler verwendete Widerstandsdraht mechanisch

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beansprucht. Diese mechanische Beanspruchung führt zu Spannungen in dem Draht, die Änderungen des festgestellten Widerstandes des Fühlers verursachen, so daß der Abgleich des Fühlers nur bis zu einem bestimmten Genauigkeitsgrad möglich ist. Auch erfordern die oben beschriebenen Abgleichverfahren eine erhebliche Geschicklichkeit, insbesondere bei Fühlern geringer Größe.

Durch die Erfindung wird ein Temperaturfühler, bestehend aus einer Bahn elektrisch leitenden Materials mit einem temperaturabhängigen Widerstandskoeffizienten auf einer isolierenden Unterlage geschaffen, der sich gemäß der Erfindung dadurch auszeichnet, daß die Bahn fest an der Unterlage befestigt ist und wenigstens ein Teil der Länge' der Bahn die Form einer Schleife mit zwei Teilen nebeneinander angeordnet hat, und daß ein Kurzschlußstab über den beiden Teilen an einer bestimmten Stelle längs der Teile angeordnet ist, um einen gewünschten Wert des Gefrierpunk twiderstandes für den Fühler zu bilden.

Während der Herstellung solch eines Widerstands-Temperaturfühlers kann der Widerstand des Fühlers zwischen den Enden der Bahn, wenn der Fühler auf einer bestimmten konstanten Temperatur gehalten wird, durch geeignete Anordnung des Kurzschlußstabs längs der beiden Teile der Schleife eingestellt werden. Der Widerstand des Fühlers kann durch die Größe des Widerstands des längsten Stücks der Bahn in der Schleife eingestellt werden, das durch den Kurzschluß- stab kurzgeschlossen werden kann.

Weiterhin wird durch die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Widerstands-Temperaturfühlers, wobei eine Bahn elektrisch leitenden Materials mit einem temperaturabhängigen Widerstandskoeffizienten auf einer isolierenden Unterlage gebildet wird, geschaffen, das sich dadurch auszeichnet, daß die Bahn fest an der Unterlage befestigt und wenigstens einen Teil der Bahn als Schleife mit zwei Teilen

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nebeneinander ausgebildet und längs der Teile die Lage eines Kurzschlußstabs eingestellt wird, der über den Teilen •angeordnet wird, um einen gewünschten Wert des Gefrierpunktwiderstandes für den Fühler zu bilden, und daß dann der Kurzschlußstab in dieser Lage befestigt wird. Der Abgleich des Fühlers wird durchgeführt, wenn die Widerstandsbahn auf der isolierenden Unterlage befestigt ist. Daher tritt keine Bewegung der Bahn, die eine mechanische Beanspruchung hervorruft, während des Abgleiche des Fühlers auf. Dies bildet einen wesentlichen Vorteil im Hinblick auf die Genauigkeit, mit der die Kühler gemäß der Erfindung abgeglichen werden können.

Die Schleife in der Widerstandsbahn kann im wesentlichen die gesamte Länge der Bahn bilden, in welchem Falle der Widerstand des Fühlers zwischen einem Maximalwert ohne einen kurzgeschlossenen Teil der Bahn und einem Minimalwert einstellbar ist, bei dem im wesentlichen die gesamte Bahn kurzgeschlossen ist.

Bei einem Beispiel der Erfindung wird die Bahn aus leitendem Material dadurch gebildet, daß ein Draht als bifilare Spirale auf einen langgestreckten Spulenkörper gewickelt wird, um eine ü-förmige Drahtschleife zu bilden, wobei die Arme des U¹S verlängert und spiralförmig nebeneinander auf den Spulenkörper gewickelt werden. Zweckmässigerweise wird der Draht auf einen unglasierten keramischen Spulenkörper gewickelt und dann wird eine dünne Glasurschicht auf die Wicklung und den Spulenkörper aufgebracht, um den Draht festzuhalten. Die äußere Oberfläche des auf den Spulenkörper gewickelten Drahtes sollte sauber und frei von Glasurmaterial sein, um einen guten elektrischen Kontakt zu ermöglichen. Damit muß die Glasurschicht, die nach dem Wickeln des Drahtes aufgebracht wird, ausreichend dünn sein, so daß sie durch die Oberflächenspannungskräfte auf die keramische Oberfläche des Spulenkörpers gezogen wird

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und die äußere Oberfläche des Drahtes freiläßt. Eine sehr dünne Restschicht von Glasurmaterial, das den Dreht bedeckt, ist jedoch zulässig, da solch eine dünne Schicht leicht abgewischt oder abgekratzt werden kann, entweder beim Anordnen des Kurzschlußstabs oder bei einem gesonderten AbstreifVorgang.

Obwohl ein Keramikspulenkörper vorzuziehen ist, können Spulenkörper aus anderen geeigneten Materialien wie Glas mit einem Schmelzpunkt, der höher liegt als derjenige der Glasur in Betracht gezogen werden.

Bei einem weiteren Verbindungsverfahren wird der Draht durch einen keramischen Klebstoff an dem Spulenkörper befestigt, in welchem Falle die Oberfläche des Drahtes und des Spulenkörpers sauber abgewischt werden sollten, bevor der Klebstoff härtet, so daß ein guter elektrischer Kontakt mit der Wicklung erreicht werden kann. Dünne Schichten aus keramischen Klebstoffen können ausreichend pulverförmig sein, so daß ein ausreichender elektrischer Kontakt nach dem Härten dadurch erreicht werden kann, daß der Draht leicht angekratzt wird.

Für Anwendungen des Widerstandsthermometers bei niedriger Temperatur kann die Drahtwicklung an dem Spulenkörper durch ein Epoxyharz befestigt werden.

Jedes edle bzw. unedle Metall, das zur Verwendung als temperaturabhängiges Material in einem Widerstandsthermometer bekannt ist, kann zur Bildung der leitenden Bahn verwendet werden.

Vorzugsweise wird jedoch Platin verwendet und daher kann der auf den langgestreckten Spulenkörper bei den obigen Ausführungsformen gewickelte Draht zweckmäßigerweise ein Platindraht sein.

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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform zur Herstellung des Widerstandsthermometers wird die Bahn des leitenden Materials dadurch gebildet, daß auf die Unterlage ein Film des leitenden Materials in Form einer Doppelspirale gedruckt wird. Zweckmäßigerweise besteht der Film aus Platin.

Der Kurzschlußstab kann zur Bildung eines Kurzschlusses zwischen Teilen der Schleife der leitenden Bahn durch Anschweißen des Stabes an der Bahn befestigt werden. Der Kurzschlußstab sollte aus einem Material bestehen, das zum Anschweißen an das Material der leitenden Bahn geeignet ist und einen stabilen elektrischen Kontakt zwischen diesen bildet. Wenn eine leitende Bahn aus Platin verwendet wird, besteht der Kurzschlußstab vorzugsweise aus Gold. Der Kurzschlußstab kann alternativ auch aus Platin hergestellt werden.

Ein Goldkurzschlußstab kann im Wärmedruckverfahren an der leitenden Bahn angeschweißt werden. Ein Platinkurzschlußstab kann ebenfalls im Wärmedruckverfahren geschweißt werden, jedoch bei einer höheren Temperatur als ein Goldstab.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fiquren 1 bis 4 beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine Ausführungsform eines Widerstands-Temperaturfühlers, χ

Figur 2 einen Längsschnitt des Fühlers der Fig. 1 zur Erläuterung eines Verfahrens zum Anschweißen eines Kur zs ch lußs tabs,

Figur 3 eine weitere Ausführungsform eines Widerstands-Temperaturfühlers und

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Figur 4 eine zusammengesetzte Ausführungsform eines Kurzschlußstabs.

Fig. 1 zeigt ein Thermometer, das aus einer doppelten spiralförmigen Spule 1 aus Platindraht besteht, die fest auf einen Spulenkörper 2 gewickelt ist. Die Spule 1 hat die Form einer U-förmigen Drahtschleife, deren Arme 17 verlängert und nebeneinander spiralförmig um den Spulenkörper 2 gewickelt sind. Die Spule ist an dem Spulenkörper z.B. durch eine Glasurschicht 11 (Fig. 2) befestigt. Anschlußdrähte -3 sind vorgesehen, die sich durch Längsbohrungen 18 in dem Spulenkörper längs des Spulenkörpers erstrecken und mit den Enden 19 einer Spule 1 verbunden sind. Ein Goldkurzschlußstab 4 ist über die Arme des U's der Platinspule 1 geschweißt und schließt dadurch einen Teil der Spule 1 kurz. Der Spulenkörper 2 mit der Spule 1 und der Kurzschlußstab 4 sind von einer Schutzglasurschicht umgeben.

Bei einem Verfahren zur Herstellung des Thermometers der Fig. 1 wird der Spulenkörper 2 aus Keramikmaterial hergestellt und der Platindraht wird zur Bildung der Spule 1 auf den Spulenkörper gewickelt. Die Anschlußdrähte 3 werden in die Bohrungen 18 in dem Spulenkörper eingeführt und an den Enden 19 der Spule 1 befestigt. Nach dem Wickeln der Spule wird die dünne, Glasurschicht 11 auf den Spulenkörper 2 aufgebracht. Die Schicht 11 ist ausreichend dünn, so daß sie durch die Oberflächenspannung auf die Oberfläche des Keramikspulenkörpers 2 gezogen wird und die äußere Oberfläche der Spule 1 freiläßt, während die Spule an dem Spulenkörper befestigt wird. Die Vorrichtung wird dann während einer ausreichenden Zeitperiode auf eine ausreichende Temperatur erhitzt, um den Platindraht zu glühen. Nach der Abkühlung wird die Vorrichtung nahe an einer zuvor geeichten Vorrichtung gleicher Konstruktion angeordnet, damit sie auf der gleichen Temperatur ist, und die Widerstände der beiden Vorrichtungen werden in einer

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geeigneten Brückenschaltung verglichen. Der Goldkurzschlußstab 4 wird über die nebeneinander liegenden Teile der Spule 1 angeordnet und längs der Spule bewegt, um einen zu- oder abnehmenden Teil der Spule kurzzuschließen, bis die Brücke abgeglichen ist. Der Stab 4 wird dann in dieser Lage fest angeschweißt, um einen permanenten Kurzschluß zu schaffen. Schließlich wird die Schutzglasurschicht 5 aufgebracht. Typischerweise hat der Platindraht für die Spule 1 einen Durchmesser von 0,025 mm und der Spulenkörper 2 hat einen Durchmesser von 2,5 mm.

Ein Verfahren zum Anschweißen des Kurzschlußstabes 4 ist in Fig. 2 gezeigt. Typischerweise wird zur Bildung des Stabes 4 ein Stück Golddraht 6 mit einem Durchmesser von 0,05 mm verwendet. Ein Teil des Drahtstücks 6 wird über den nebeneinander liegenden Teilen der Spule 1 angeordnet und wenn die gewünschte Stellung für den Stab 4 gefunden ist, wird der Drahteil im Wärmedruckverfahren an der Spule

I angeschweißt, wobei eine Schweißdüse 8 verwendet wird, deren dünner Bodenteil 9 durch einen starken elektrischen Strom erhitzt wird, der durch ihn fließt. Dadurch wird der Golddraht auf eine Temperatur von einigen 100°C erhitzt, wenn er unter Druck mit dem Platindraht eine Verbindung bildet. Wenn die Schweißung durchgeführt ist, wird ein Messer 10 an beiden Seiten der Schweißdüse 8 abwärts bewegt, um den Golddraht zur Bildung des Kurzschlußstabes 4 auf die richtige Länge zuzuschneiden. Für einen guten Kontakt und eine gute Schweißung zwischen dem Stab 4 und der Spule 1 ist wesentlich, daß die Oberfläche des Platindrahtes vor dem Schweißen sauber und im wesentlichen frei von irgendwelchem Glasurmaterial der Schicht

II ist.

Eine alternative Form des Widerstandsthermometerfühlers ist in Fig. 3 gezeigt. Bei diesem Beispiel wird ein Film aus Platin oder einer mit Platin angereicherten Fritte beispielsweise durch Drucken in Form einer Doppelspirale

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auf einem dielektrischen Substrat 12 gebildet. Die beiden Arme der Doppelspirale liege" nebeneinander und ein Kurzschlußstab 4 ist über die Arme geschweißt, um einen Teil, der Spirale in der gleichen Weise wie oben bei dem Beispiel der Fig. 1 beschrieben wurde, kurzzuschließen. Die Spiralbahn kann in bekannter Weise auf das. Substrat 12 gedruckt werden und das fertige geeichte Widerstandsthermometer kann mit Anschlüssen versehen und in der für solche Dickfilmkreise üblichen Art eingekapselt werden.

In Fig. 4 ist eine zusammengesetzte Ausführungsform des Kurzschlußstabs für einen Widerstands-Thermometerfühler gezeigt, der bei relativ niedrigen Temperaturen verwendet werden soll. Dieser Stab besteht aus einer ersten Schicht 15 aus einem Material mit hohem Schmelzpunkt mit einer zweiten Schicht 16 aus einem Material mit relativ niedrigem Schmelzpunkt. Solch ein zusammengesetzter Stab kann, um einen Kurzschluß zwischen nebeneinander liegenden Teilen der Bahn zu bilden, dadurch befestigt werden, daß die Schicht mit dem hohen Schmelzpunkt ausreichend erhitzt wird, um die Schicht mit dem niedrigen Schmelzpunkt zur Verbindung mit der Bahn zu schmelzen, während die Schicht mit dem hohen Schmelzpunkt hart bleibt. Dadurch wird der Stab nicht klebrig und haftet nicht an einer Schweißdüse, die die Wärme zuführt. Typischerweise kann die Schicht mit niedrigem Schmelzpunkt ein Zinn-Blei-Lötmittel sein.

Ein wesentlicher Vorteil der Sensoren gemäß der Erfindung besteht darin, daß der auf Wärme ansprechenden Spule des Sensors keine Wärme zugeführt werden muß, bis die richtige Lage des Kurzschlußstabs gefunden ist, die den gewünschten Widerstandswert der Vorrichtung bei der bestimmten Temperatur ergibt.Dadurch werden Fehler beim Abgleichen der Fühler vermieden. Auch kann der Abgleich der Fühler schnell und ohne die Notwendigkeit für große Geschicklichkeit seitens des Arbeiters durchgeführt werden. Der auf der leitenden Bahn angeschweißte Kurzschlußstab hat eine geringe Höhe und kann leicht mit einer Glasurschicht oder einer anderen Schutzumhüllung überzogen werden. 509834/0584

Claims

Ansprüche

γ 1.] Widerstands-Temperaturfühler, bestehend aus einer Bahn elektrisch leitenden Materials mit einem temperaturabhängigen Widerstandskoeffizienten auf einer isolierenden Unterlage, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn fest an der Unterlage(2) befestigt ist und wenigstens ein Teil der Länge der Bahn die Form einer Schleife mit zwei Teilen nebeneinander angeordnet hat, und daß ein Kurzschlußstab (4) über den beiden Teilen an einer bestimmten Stelle längs der Teile angeordnet ist, um einen gewünschten Wert des Gefrierpunktwiderstandes für den Fühler zu bilden.
2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleife im wesentlichen die gesamte Länge der Bahn bildet.
3. Temperaturfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierende Unterlage ein langgestreckter zylindrischer Spulenkörper (2) ist, und daß die Bahn aus einer bifilaren Drahtspirale in einer U-förmigen Schleife besteht, wobei die Arme des U verlängert und spiralförmig nebeneinander um den Spulenkörper gewickelt sind.
4. Temperaturfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Spulenkörper (2) aus Keramikmaterial besteht und eine Glasurschicht (11) hat, die den Draht an dem Spulenkörper hält.
5. Temperaturfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn aus elektrisch leitendem Material ein Film des leitenden Materials ist, der auf die Unterlage in Form einer Doppelspirale (13) gedruckt ist.

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6. Temperaturfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kurzschlußstab aus einer ersten Schicht (15) eines Materials mit hohem Schmelzpunkt und einer zweiten Schicht (16) eines Materials mit relativ niedrigem Schmelzpunkt besteht.
7. Verfahren zur Herstellung eines Widerstands-Temperaturfühlers, wobei eine Bahn elektrisch leitenden Materials mit einem temperaturabhängigen Widerstandskoeffizienten auf einer isolierenden Unterlage gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn fest an der Unterlage befestigt und wenigstens einen Teil der Bahn als Schleife mit zwei Teilen nebeneinander ausgebildet und längs der Teile die Lage eines Kurzschlußstabs eingestellt wird, der über den Teilen angeordnet wird, um einen gewünschten Wert des Gefrierpunktwiderstandes für den Fühler zu bilden, und daß dann der Kurzschlußstab in dieser Lage befestigt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß* die Unterlage als langgestreckter zylindrischer Spulenkörper ausgebildet wird, und daß die Bahn des elektrisch leitenden Materials dadurch gebildet wird, daß eine bifilare Drahtspirale auf den Spulenkörper gewickelt und in Form einer U-förmigen Schleife daran befestigt wird, wobei die Arme des U verlängert und spiralförmig nebeneinander um den Spulenkörper gewickelt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Draht auf einen unglasierten keramischen Spulenkörper gewickelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß eine Glasurschicht auf die Spirale und den Spulenkörper aufgebracht wird, um den Draht an dem Spulenkörper zu befestigen, wobei die Glasurschicht ausreichend dünn ist, damit die äußere Oberfläche des Drahtes im wesentlichen frei von Glasurmaterial bleibt.

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10. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bahn elektrisch leitenden Materials dadurch gebildet wird, daß auf die Unterlage ein Film des Materials in Form einer Doppelspirale gedruckt wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil eines Drahtstücks in einer die Schleifenteile kurzschließenden Lage angeordnet, im Wärmedruckverfahren angeschweißt und dann zur Bildung des Kurzschlußstabs zugeschnitten wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß nach Bildung der an der Unterlage fest angeordneten Bahn der Fühler nahe an einem anderen Fühler angeordnet wird, so daß sie im wesentlichen die gleiche Temperatur haben, wobei der andere Fühler zuvor geeicht und zugeschnitten wurde, um den gewünschten Gefrierpunktwiderstand zu haben, daß dann die Widerstände der beiden Fühler verglichen, und daß die Lage des Kurzschlußstabs vor seiner Befestigung eingestellt wird, bis die Widerstände im wesentlichen gleich sind.

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