DE3789548T2

DE3789548T2 - Wärmeempfindliches Kabel und Verfahren zur Herstellung desselben.

Info

Publication number: DE3789548T2
Application number: DE3789548T
Authority: DE
Inventors: C Davis Bayard
Original assignee: Xco International Inc
Current assignee: Xco International Inc
Priority date: 1987-02-25
Filing date: 1987-02-25
Publication date: 1994-11-03
Anticipated expiration: 2007-02-26
Also published as: DE3789548D1; EP0279969A1; EP0279969B1; ATE104050T1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine wärmeempfindliche Vorrichtung und spezieller auf ein wärmeempfindliches Kabel und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Wärmeempfindliche Kabel, die durch die Verwendung von Halbleitermaterialien mit negativer Temperaturwiderstands- Charakteristik in Verbindung mit thermoelektrisch verschiedenen Leitern gekennzeichnet sind, sind heute in der Technik wohl bekannt. Derartige Kabel sind besonders geeignet, wo es erwünscht ist, die größte entlang der Länge des Kabels existierende Temperatur zu überwachen und sind in Verbindung mit einem System zum Messen und Erfassen von interessierenden Temperaturbedingungen festzulegen in der US-A-3 408 607 und der US-A-4 324 138 veranschaulicht. Thermistor-Kabel die durch einen Kern aus Halbleitermaterial gekennzeichnet sind, der durch eine Masse von temperaturbeständigem elektrisch isolierendem Material umgeben ist, das mit einer metallischen Schutzhülle bedeckt ist, sind ebenso in der Technik wohl bekannt.
Trotz der klaren Vorteile und vieler Anwendungen für derartige Kabel wurden sie einfach nicht so weiterentwickelt, daß sie den gewünschten Grad der Vielseitigkeit vorsehen. Es verblieb ein wärmeempfindliches Kabel zu entwickeln, das sich eignet eine meßbare und vorhersagbare Spannung zu erzeugen, wenn die gesamte Länge des Kabels sich in einer Umgebung von z. B. 22ºC (72ºF) befindet, wobei das Kabel ebenso geeignet ist, bei einer Zunahme der Temperatur über die maßgebende Umgebungstemperatur an jedem Ort entlang des Kabels eine Änderung der die Temperatur kennzeichnenden meßbaren Spannung vorzusehen. Wenn dies durch eine elektrische Isolation mit einem negativen Temperaturkoeffizient erreicht werden könnte, würde die thermoelektrische Signalabgabe des Kabels oder eines Abschnitts davon in einer vorhersagbaren Art und Weise verändert werden.
Wenn dies erreicht werden könnte, könnte außerdem der Ort des Kabels, wo eine Zunahme der Temperatur stattfindet, elektronisch lokalisiert werden. Dies könnte, wie bspw. ausführlich in der US-A-4 324 138 offengelegt ist, erreicht werden. Wie in dieser Hinsicht dargelegt, sind die Anwendungen praktisch unbegrenzt.
Während der Wert wärmeempfindlicher Kabel schon lange erkannt wurde, ist übrig geblieben, ein derartiges Kabel mit der erforderlichen Vielseitigkeit für die vielen Anwendungen vorzusehen, um durch die Verwendung davon den Nutzen zu ziehen. Tatsächlich ist trotz vieler vorhergehender Erfindungen auf diesem Gebiet, wie in der US-A-3 408 607 und der US-A-3 513 432 veranschaulicht, der fehlende Schritt übrig geblieben, ein höchst vielseitiges Kabel vorzusehen. Trotz der Vorteile, die für die in der Technik Erfahrenen erkennbar sein werden, waren wärmeempfindliche Kabel, die nicht nur zum Überwachen der Umgebungstemperatur benutzt werden können, sondern auch zum Überwachen jeder örtlich beschränkten Zunahme über die Umgebungstemperatur benutzt werden können, einfach nicht erhältlich.
In der EP-A-0 078 675 ist ein wärmeempfindliches Kabel beschrieben, das eine rohrförmige Metallumhüllung, eine Masse aus zusammengepreßtem, die Umhüllung füllenden Isoliermaterial und ein Paar von thermoelektrischen Leitern, die in dem Isoliermaterial angeordnet sind, aufweist. In der US-A-3 845 706 ist eine Thermoelementvorrichtung zum Messen der Temperatur der heißen Oberfläche eines elektrischen Lichtbogenofens beschrieben. Die Vorrichtung weist ein Paar von thermoelektrischen Leitern auf, die innerhalb einer Hülse durch feuerfestes Material gehalten werden. Einer der Leiter ist mit Glasmaterial isoliert. Die DE-A-3 045 652 beschreibt ein Thermoelement, das ein Paar von thermoelektrischen Leitern aufweist, die aneinandergefügt sind, um ein Thermoelement zu bilden.
Die US-A-3 408 607 offenbart ein Kabel, in dem zwei Leiter durch gedrängtes Verdichten einer Masse aus Halbleitermaterial um die Leiter in getrennter Beziehung gehalten werden. Dies tendiert dazu das Kabel unflexibel zu machen. Das Kabel ist abgeschirmt und deshalb ist eine metallische Umhüllung erforderlich.
Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung ein wärmeempfindliches Kabel mit Mittel zum Erzeugen einer der Temperatur entsprechenden meßbaren Spannung auszustatten und das den gewünschten Grad der Vielseitigkeit vorsieht.
Gemäß einem Aspekt dieser Erfindung ist ein wärmeempfindliches Kabel, wie in Anspruch 1 definiert, vorgesehen.
Mit dieser Anordnung kann das wärmeempfindliche Kabel nicht nur zum Überwachen der Umgebungstemperatur, sondern auch zum Überwachen jeder örtlich begrenzten Zunahme der Temperatur, wie weiter unten beschrieben, verwendet werden.
Vorzugsweise ist der Leiter mit einer Mangannitratlösung überzogen oder die Oberfläche des Leiters ist mit wärmebehandeltem Mangandioxid bedeckt. Dadurch hat die resultierende elektrische Isolation, die auf der Oberfläche des Leiters ausgebildet ist, einen negativen Temperaturkoeffizient und wird überall im erwünschten Temperaturbereich die erforderliche, der Temperatur entsprechende meßbare Spannung erzeugen.
Zweckdienlich ist einer der Leiter aus einer Nickel/Chrom- Legierung hergestellt und der andere der Leiter ist aus einer Kupfer/Nickel-Legierung hergestellt. Vorzugsweise enthält die Nickel/Chrom-Legierung etwa 90% Nickel und 10% Chrom und die Kupfer/Nickel-Legierung enthält etwa 55% Kupfer und 45% Nickel.
Was den biegsamen äußeren Mantel betrifft, ist dieser vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das dazu verwendet werden kann, um die Leiter vollständig in einer Druck ausübenden Weise zu umgeben, um die Leiter in berührender nebeneinander liegender Beziehung zu halten. In diesem Zusammenhang kann das Material von einer Art sein, die geeignet ist, um auf die Leiter extrudiert zu werden oder ein Material einer Art, das geeignet ist, um auf die Leiter wärmegeschrumpft zu werden oder ein Material einer Art, das geeignet ist, auf die Leiter aufgewickelt zu werden. Wurde das Material einmal auf die Leiter aufgebracht, um den biegsamen äußeren Mantel zu bilden, so kann das wärmeempfindliche Kabel seiner Biegsamkeit angemessen auf Spulen gelagert werden und kann wieder entnommen und für den Gebrauch, wie benötigt, in der Länge abgeschnitten werden.
Entsprechend einem weiteren Ziel dieser Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels, wie in Anspruch 15 definiert, vorgesehen.
Mit dem Herstellungsverfahren der Erfindung ist ein wärmeempfindliches Kabel vorgesehen, das nicht nur zur Überwachung der Umgebungstemperatur, sondern auch zur Überwachung für jede örtlich begrenzte Zunahme über die Umgebungstemperatur verwendet werden kann.
Diese Erfindung wird nun mit Bezug auf die Zeichnungen, mittels Beispielen detaillierter beschrieben, in welchen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts eines wärmeempfindlichen Kabels entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 2 eine Querschnittansicht des in Fig. 1 gezeigten Kabels ist;
Fig. 3 eine Vorderansicht einer Spule ist, die das in Fig. 1 gezeigte Kabel enthält;
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Verfahrens zur Herstellung wärmeempfindlicher Kabel entsprechend der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5 eine Draufsicht entlang der Linie 5-5 in Fig. 4 ist;
Fig. 6 eine Vorderansicht eines Abschnitts eines wärmeempfindlichen Kabels ist, das gemäß des Verfahrens in Fig. 4 hergestellt ist;
Fig. 7 eine Querschnittansicht entlang der Linie 7-7 in Fig. 6 ist;
Fig. 8 eine schematische Ansicht eines alternatives Verfahren zur Herstellung wärmeempfindlicher Kabel entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 9 eine Draufsicht entlang der Linie 9-9 in Fig. 8 ist;
Fig. 10 eine Vorderansicht eines Abschnitts eines wärmeempfindlichen Kabels, hergestellt entsprechend dem Verfahren in Fig. 8 ist;
Fig. 11 eine Querschnittansicht entlang der Linie 11- 11 in Fig. 10 ist;
Fig. 12 eine schematische Ansicht eines anderen alternativen Verfahrens zur Herstellung wärmeempfindlicher Kabel entsprechend der vorliegenden Erfindung ist;
Fig. 13 eine Vorderansicht eines Abschnitts eines wärmeempfindlichen Kabels, hergestellt entsprechend dem Verfahren in Fig. 12 ist;
Fig. 14 eine Querschnittansicht entlang der Linie 14- 14 in Fig. 13 ist und
Fig. 15 noch eine schematische Ansicht eines weiteren alternativen Verfahrens zur Herstellung wärmeempfindlicher Kabel entsprechend der vorliegenden Erfindung ist.
In Bezug auf die Zeichnungen, und zuerst auf Fig. 1, benennt die Referenznummer 10 allgemein ein wärmeempfindliches Kabel, das geeignet ist, eine der Temperatur entsprechende meßbare Spannung zu erzeugen. Das Kabel 10 beinhaltet ein Paar von thermoelektrischen Leitern 12 und 14, die nebeneinanderliegen und sich berühren und mit Mitteln zur passiven Selbsterzeugung einer der Temperatur entsprechenden meßbaren Spannung zwischen den Leitern 12 und 14 versehen sind, wenn das Kabel 10 der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird. Ein biegsamer, aus einem elektrisch nicht leitenden Material hergestellter äußerer Mantel 18 ist vorgesehen, um die Leiter 12 und 14 vollständig zu umgeben. Die passiven selbsterzeugenden Mittel enthalten Mittel zur Erzeugung einer Änderung der der Temperatur entsprechenden meßbaren Spannung bei einer Zunahme oder Abnahme in der Temperatur an jedem Ort entlang des Mantels 18. Eine Änderung der der Temperatur entsprechenden meßbaren Spannung unter derartigen Bedingungen, entspricht der Änderung der Umgebungstemperatur. Die passiven selbsterzeugenden Mittel beinhalten auch Mittel zum Bewirken einer Änderung der der Temperatur entsprechenden meßbaren Spannung mit einer Zunahme der Temperatur über die vorherrschende Umgebungstemperatur an jedem Ort entlang des Mantels 18. Mit dieser Anordnung kann das wärmeempfindliche Kabel 10 nicht nur zur Überwachung der Umgebungstemperatur, sondern auch zur Überwachung jeder örtlich begrenzten Zunahme der Temperatur verwendet werden.
Die passiven selbsterzeugenden Mittel weisen eine elektrische Isolation 16 mit einem negativen Temperaturkoeffizienten auf, die auf der Oberfläche von wenigstens einem der Leiter 12 oder 14 angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Leiter 12 z. B. mit einer Mangannitratlösung oder wärmebehandeltem Magnesiumdioxid in der Größenordnung von 0,050 bis 0,150 mm (0,002 bis 0,006 inches) dick beschichtet. Auf diese Weise wird die sich ergebende elektrische Isolation 16, die auf der Oberfläche des Leiters 12 gebildet ist, die erforderliche der Temperatur entsprechenden meßbare Spannung überall in dem gewünschten Temperaturbereich erzeugen.
Hinsichtlich der elektrischen Isolation 16, ist in einem Ausführungsbeispiel der Leiter 12, durch Beschichten des Leiters 12 mit einer Mangannitratlösung, mit einer behandelten Oberfläche versehen. Nachdem der Leiter 12 mit der Lösung, wobei vorzugsweise etwa 61% Mangannitrat gelöst ist, bedeckt wurde, wird der Leiter auf eine Temperatur von 150ºC bis 230ºC (300 bis 450ºF) erhitzt, um den Oberflächenbehandlungsprozeß zu vervollständigen, wobei der Leiter 12 eine elektrische Isolation 16 mit einem negativen Temperaturkoeffizienten besitzt. Außerdem hat auch der Leiter 14, wie in Fig. 1 gezeigt, vorzugsweise eine elektrische Isolation 20 mit einem negativen Temperaturkoeffizienten, der durch einen ähnlichen Oberflächenbehandlungsprozeß erzeugt wird.
In der Praxis hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Mangannitratlösung durch Erhitzen des Mangannitrats auf eine Temperatur von etwa 380ºC (100ºF) zu erzeugen. Das Mangannitrat wird auf diese Temperatur erhitzt, bis es geschmolzen ist und danach wird das geschmolzene Mangannitrat bis etwa zwischen 205ºC und 260ºC (400ºF und 500ºF) für etwa 3 Minuten erhitzt. Bei dieser Prozedur wird das Mangannitrat zuerst von einer festen zu einer dünnflüssigen Substanz reduziert und dann von einer dünnflüssigen in eine dicke schwarze Substanz umgewandelt.
In Bezug auf Fig. 2 ist erkennbar, daß die Elemente, die das wärmeempfindliche Kabel 10 enthalten, übertrieben groß dargestellt sind, um die Abbildung zu verbessern. Die elektrische Isolation 16 auf dem Leiter 12 und die elektrische Isolation 20 auf dem Leiter 14 bestehen aus sehr dünnen Oberflächenbeschichtungen, die ausreichen, um die Leiter 12 und 14, die nebeneinander liegenden und sich berühren, durch die dünne Beschichtung der elektrischen Isolation 16 und 20 getrennt und elektrisch isoliert zu halten. In Folge des engen elektrisch isolierten Kontakts der Leiter 12 und 14 kann das wärmeempfindliche Kabel 10, in zufriedenstellender Weise, wie gezeigt verwendet werden, um die Temperatur zu überwachen.
In dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die nebeneinander liegende und sich berührende Leiter 12 und 14 aus thermoelektrisch verschiedenen Materialien gebildet, bspw. ist einer der Leiter 12 vorzugsweise aus einer Nickel/Chrom-Legierung hergestellt und der andere, der Leiter 14, ist vorzugsweise aus einer Kupfer/Nickel- Legierung hergestellt. Es ist jedoch erkennbar, daß alle der in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nur aus thermoelektrisch verschiedenen Materialien hergestellt -sein müssen, bspw. thermoelektrische Paare, die allgemein als "ANSI K, E, J oder T" bekannt sind oder jeder andere Leiter, der aus thermoelektrisch verschiedenen Materialien hergestellt ist. Wenn trotzdem Nickel/Chrom- und Kupfer/ Nickel-Legierungen gewählt werden, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Nickel/Chrom-Legierung etwa 90% Nickel und 10% Chrom aufweist und die Kupfer/Nickel-Legierung etwa 55% Kupfer und 45% Nickel aufweist.
Zieht man den biegsamen äußeren Mantel 18 in Betracht, kann er aus einer beliebigen Anzahl von elektrischen nicht leitenden Materialien mit den gewünschten Flexibilitätscharakteristiken gebildet sein. Es wird erwogen, daß der äußere Mantel 18 bspw. aus einem Material besteht, das geeignet ist, auf die Leiter 12 und 14 extrudiert zu werden oder aus einem Material, das geeignet ist, auf die Leiter 12 und 14 wärmegeschrumpft zu werden oder aus einem Material, das geeignet ist, auf die Leiter 12 und 14 gewickelt zu werden. Ungeachtet der Anwendungsmethode der Materialien auf die Leiter 12 und 14 ist es nur notwendig, daß das Material die Leiter 12 und 14 unter geringem Druck in berührender, nebeneinander liegender Beziehung zusammenhält und ausreichend biegsam ist, um, wie in Fig. 3 gezeigt, so daß das Kabel auf eine Spule 22 aufwickelbar ist.
Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens des Kabels sind anfänglich zwei thermoelektrische Leiter vorgesehen. Als nächstes werden Mittel zum passiven Selbsterzeugen einer der Temperatur entsprechenden meßbaren Spannung zwischen den Leitern vorgesehen, wenn das Kabel der Umgebungstemperatur ausgesetzt wird. Dann werden die Leiter so angeordnet, daß sie nebeneinander liegen. Schließlich wird ein biegsamer, aus einem elektrisch nicht leitenden Material ausgebildeter äußerer Mantel so an dem Leiter angebracht, daß die Leiter vollständig durch den Mantel umgeben sind. Die passiven selbsterzeugenden Mittel sind so ausgewählt, daß sie Mittel zum Hervorrufen einer Änderung der der Temperatur entsprechenden meßbaren Spannung mit einer Zunahme oder Abnahme der Temperatur an jedem Ort entlang dem Mantel beinhaltet. Eine Änderung der der Temperatur entsprechenden meßbaren Spannung unter derartigen Bedingungen ist für eine Änderung der Umgebungstemperatur kennzeichnend. Die passiven selbsterzeugenden Mittel sind auch so ausgewählt, daß sie Mittel zum Hervorrufen einer Änderung der der Temperatur entsprechenden meßbaren Spannung bei einer Zunahme der Temperatur über die vorherrschende Umgebungstemperatur an jedem Ort entlang des Mantels, beinhaltet. Durch das Herstellungsverfahren der Erfindung wird ein wärmeempfindliches Kabel erzeugt, daß nicht nur zur Überwachung der Umgebungstemperatur, sondern auch für jede örtlich begrenzte Zunahme über die Umgebungstemperatur verwendet werden kann.
Wie zuvor erwähnt, ist die Oberfläche des Leiters durch Beschichtung des Leiters mit einer Mangannitratlösung behandelt. Vorzugsweise weist die Lösung etwa 61% Mangannitrat auf. Nachdem der Leiter beschichtet worden ist, wird er auf eine Temperatur zwischen 150º und 230ºC (300º und 450ºF) erhitzt, um eine elektrische Isolierung mit einem negativen Temperaturkoeffizienten zu erzeugen.
Da die Erfindung nicht ausgelegt ist, um auf irgendwelche spezielle Komponenten begrenzt zu sein, verwendet ein praktisches Ausführungsbeispiel entweder extrudierten oder wärmeschrumpfbaren Gummi für den biegsamen äußeren Mantel 18. In diesem Ausführungsbeispiel ist einer der zwei Leiter 12 oder 14 Chromel-Markenmeßdraht (Warenzeichen) von Hoskins Manufacturing Co, Detroit, Michigan und der andere der Leiter 14 ist ein von derselben Firma erhältlicher 24-iger Constantan-Markendraht (Warenzeichen), wobei beide Drähte einem Oberflächenbehandlungsprozeß ausgesetzt wurden, indem sie zuerst durch Schleifen gereinigt wurden und dann mit einer Chemikalie, wie eine Mangannitratlösung, beschichtet wurden, die beim Erhitzen und unter kontrollierten Bedingungen den elektrischen Widerstand der Außenoberfläche der Drähte permanent ändert. Insbesondere werden die zwei Drähte durch Tauchen oder dadurch, daß sie auf andere Weise in einer Lösung von 61% Mangannitrat beschichtet werden und dadurch, daß sie Temperaturen von 150º bis 205ºC (300º bis 400ºF) für eine kurze Zeitdauer im Bereich von etwa 3 bis 5 Minuten ausgesetzt werden, behandelt.
In Bezug auf die Fig. 4 bis 7 ist nun ein alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Das wärmeempfindliche Kabel 24 ist bis auf die eine Ausnahme, daß z. B. die elektrische Isolation 26 auf der Oberfläche wenigstens eines der Leiter 28 und 30 vorgesehen ist, vorzugsweise mit dem wärmeempfindlichen Kabel 10 identisch. Wie gezeigt wird die elektrische Isolation 26 durch ein in einem Bindematerial eingebetteten Pulver erzeugt.
Wie dargestellt, ist die Oberfläche des Leiters 28 durch Beschichten des Leiters 28 mit einem Bindematerial wie bei 32 ausgestattet. Wie bei 34 wird dem Leiter 28 Wärme zugeführt (und/oder vor dem Aufbringen des Bindematerials) und die pulverisierte elektrische Isolation wird wie bei 36 und 38 aufgebracht. Wie bei 36 und 38 dargestellt, wird die pulverisierte, elektrische Isolation in das Bindematerial 32 mittels Walzen bei 40 bzw. 42 eingebracht. Wie bei 44 wird dann Wärme, nachdem die pulverisierte elektrische Isolation in das Bindematerial eingebettet worden ist, zugeführt. Schließlich werden die Leiter 28 und 30 in einen biegsamen äußere Mantel 46 eingeführt, der vorzugsweise aus wärmeschrumpfbarem Material hergestellt ist, wobei danach Wärme wie bei 48 zugeführt wird, um den biegsamen äußeren Mantel 46 zu schrumpfen und dadurch die Leiter 28 und 30 in engen Kontakt untereinander zu zwingen.
Als Bindematerial kann jedes Material, das zur Verwendung innerhalb der gewünschten Temperaturgrenzen geeignet ist, verwendet werden. Z.B. ist ein von der General Electric Company hergestellter durchsichtiger Silikondichtungsgummi als Bindematerial für viele Anwendungen geeignet, da er im Bereich von -55º bis 260ºC (-65º bis 500ºF) temperaturbeständig ist und es ist ebenso möglich, einen leitenden Kleber zu verwenden, wie Amicon CT--5047-2, C-840 oder C-950, der durch die Polymer Products Divison von Amicon Corporation verkauft wird. Wenn ein leitender Kleber verwendet wird, ist es möglich, eine stärkere Beschichtung auf den Leitern vorzusehen, als es Silikon normalerweise zulassen wird.
Hinsichtlich der pulverisierten elektrischen Isolation handelt es sich vorzugsweise um wärmebehandeltes Mangandioxid, wenn man der Lehre in der US-A-4 491 822, der US-A-4 540 972 und der US-A-4 614 024 folgt. Mit diesem Material hat die Isolation eine Isolationswiderstand zwischen etwa 300º und 6000 Ohm bei etwa 22ºC (72ºF), der zum Herstellen eines über einem weiten Temperaturbereich einsetzbaren Isolators mit negativem Temperaturkoeffizient geeignet erschien.
Im Bezug auf die Fig. 8 bis 11 wird nun ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung darstellt. Das wärmeempfindliche Kabel 50 besteht aus thermoelektrisch verschiedenen Leitern 52 und 54 und, wie bei 56, aus einer elektrischen Isolierung, die wenigstens an der Oberfläche eines der Leiter 54 angebracht ist und aus einem biegsamen äußeren Mantel 58. Wie bei 56 dargestellt, wird die elektrische Isolierung in einer einmaligen Art und Weise angewendet.
Insbesondere ist die Oberfläche des Leiters 54 durch Verwendung eines biegsamen Wickelmaterials 60 mit einer elektrischen Isolierung versehen. Das biegsame Wickelmaterial 60, das jedes biegsame Material sein kann, aber vorzugsweise eines das saugfähig ist, wird wie bei 62 mit einem Bindematerial beschichtet und in das Bindematerial ist, wie bei 64 und 66, eine pulverisierte elektrische Isolierung eingelagert. Danach wird der Leiter 54 mit dem biegsamen Wickelmaterial 60 bewickelt.
Weiterhin ist das Bindematerial wie bei 62 vorzugsweise ein temperaturbeständiger Kleber und die pulverisierte elektrische Isolierung ist wie bei 64 und 66 vorzugsweise hitzebehandeltes Mangandioxid. Das biegsame Wickelmaterial 60 kann vor und/oder nach der Anwendung des Bindematerials wie bei 67 hitzebehandelt werden, dann wird es unverzüglich wie bei 68 und 70 nach der Anwendung der pulverisierten elektrischen Isolierung wie bei 64 bzw. 66 gerollt und anschließend wird Wärme beim Rollen wie bei 71 angewendet. Nachdem das biegsame Wickelmaterial 60 vorbereitet worden ist, wird es dann um den Leiter 54 gewickelt, die Leiter 52 und 54 werden in einen biegsamen äußeren Mantel 58 von wärmeschrumpfbarem Material eingeführt und es wird Wärme wie bei 72 zugeführt.
Wie in Fig. 10 darstellt, braucht die elektrische Isolierung 56 die äußere Oberfläche des Leiters 54 nicht vollständig bedecken. Es ist nur erforderlich, daß das die elektrische Isolierung 56 aufweisende behandelte, biegsame Wickelmaterial 60 ausreichend dicht nebeneinander gewickelt ist, um die Oberflächen der Leiter 52 und 54 ohne gegenseitigen Kontakt zu halten. Solange diese Bedingung sichergestellt ist, wird das Kabel 50 in der beabsichtigten Art und Weise funktionieren.
In Bezug auf die Fig. 12 bis 14, wird nun noch ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt. Dieses Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem in Verbindung mit den Fig. 8 bis 11 diskutierten Ausführungsbeispiel, unterscheidet sich jedoch dadurch, daß das mit Bindematerial und mit wärmebehandelten Mangandioxid behandelte biegsame Wickelmaterial in Fig. 8 wie bei 66 durch einen aus wärmebehandeltem Mangandioxid geformten Draht 74 ersetzt worden ist. In den anderen Bezügen ist das Kabel 78 im wesentlichen das gleiche wie das Kabel 50 der Fig. 8 bis 11.
Im speziellen besteht das Kabel 78 aus zwei thermoelektrisch verschiedenen Leitern 80 und 82. Der Draht 74, der entsprechend jeder gewünschten Technik hergestellt werden kann, wie z. B. der in der US-A-3 881 541 offenbarten kontinuierlichen Gußmethode, wird dann um den Leiter 82 gewickelt, die Leiter 80 und 82 werden in einen biegsamen äußeren Mantel 84 aus wärmeschrumpfbarem Material eingeführt und Wärme wird bei 86 zugeführt, um den Herstellungsprozeß abzuschließen. Wenn dies geschehen ist, wird das Kabel 78 in ähnlicher Art und Weise wie das Kabel 50 in den Fig. 8 bis 11 funktionieren.
Schließlich zeigt die Fig. 15 ein Herstellungsverfahren des wärmeempfindlichen Kabels 10, das im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 3 diskutiert wurde. Es ist ersichtlich, daß das Kabel 10 durch Auftrag der Mangannitratlösung (die wie zuvor diskutiert vorbereitet ist) auf wenigstens einen der Leiter 14 der beiden thermoelektrisch verschiedenen Leitern 14 und 16 hergestellt werden kann, und daß dies wie bei 88 durch das Aufspritzen der Mangannitratlösung, eine darauffolgende Hitzezufuhr wie bei 90 und wieder durch Aufspritzen der Mangannitratlösung wie bei 92 und darauf folgend wie bei 94 durch die Zufuhr von Hitze geschehen kann, und daß diese Schritte, z. B. Aufspritzen von Mangannitratlösung und nachfolgendes einmaliges, oder beliebig mehrmaliges Erhitzen angewendet werden können, um eine Beschichtung der erwünschten Stärke nach Art der Montagelinie auszubilden. Nach dem Aufbringen der Beschichtung auf dem Leiter 14, werden die Leiter 14 und 16 in den biegsamen äußeren Mantel 18 aus wärmeschrumpfbarem Material eingeführt und Wärme wird wie bei 96 zugeführt, um die Leiter 14 und 16 in engen Kontakt zu bringen.
In Bezug auf Fig. 15 ist außerdem ersichtlich, daß der positive Leiter 14 im Durchmesser größer ist als der negative Leiter 16. Dies erfolgt, um das Verdrahten des Kabels an geeignete Überwachungseinrichtungen dadurch sicherzustellen, daß auch untrainiertes Personal fähig sein wird, den positiven Leiter optisch zu identifizieren und ihn an dem positiven Anschluß der Einrichtung zu befestigen, insbesondere wenn in Betracht gezogen wird, daß der positive und der negative Leiter gewöhnlich dieselbe Farbe haben werden. Wenn erwogen wird, daß die Leiter eine so geringe Größe von etwa 0,35 mm (0,012 inches) aufweisen können, wird der Vorteil eines optisch größeren Durchmessers beim positiven Leiter sichtbar.
Bezüglich der Beschichtung der Oberfläche eines oder beider Leiter mit einer elektrischen Isolierung verbleibt das Kriterium, eine Beschichtung anzuwenden, die dehnfähig bleibt. Mit anderen Worten ist die Beschichtung mit einer Dicke vorzusehen, wodurch das Kabel fähig ist, um einen kleinen Durchmesser gekrümmt zu werden, bspw. 1 ¼ bis 2 ½ cm (½ bis 1 inch) im Durchmesser, ohne zu brechen oder die Oberflächenbeschichtung der elektrischen Isolierung anders zu schwächen. Abhängig vom Durchmesser der Leiter wird die Beschichtung dicker oder dünner sein, um dieses Ergebnis zu erreichen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein wärmeempfindliches Kabel vorgeschlagen, das geeignet ist, eine meßbare Spannung zu erzeugen, wenn es einer Temperatur von bspw. 22ºC (72º F) ausgesetzt wird. Die gemessene Spannung ist kennzeichnend für diese Temperatur (Umgebungstemperatur) und die thermoelektrische Signalabgabe des Kabels oder eines Abschnitts davon wird eine die höhere Temperatur kennzeichnende Spannung erzeugen, wenn es einer höheren Temperatur ausgesetzt ist. Außerdem ist das wärmeempfindliche Kabel geeignet, eine meßbare und vorhersagbare Spannung zu erzeugen, wenn die Umgebungstemperatur, der die ganze Kabellänge ausgesetzt ist, sich über 22ºC (72ºF) erhöht oder darunter abnimmt, bspw. auf eine Temperatur zwischen ungefähr -30º und 260ºC (-20ºF und 500ºF) oder höher abhängig von den Grenzen des verwendeten Materials. Die gemessene Spannung ist kennzeichnend für die Temperatur (eine neue Umgebungstemperatur) und die thermoelektrische Signalabgabe des Kabels oder eines Abschnitts davon würde wieder eine die höhere Temperatur kennzeichnende Spannung erzeugen, wenn es einer höheren Temperatur ausgesetzt wird. Daher kann das wärmeempfindliche Kabel nicht nur zur Überwachung der Umgebungstemperatur benutzt werden, sondern auch zur Überwachung für jede örtlich begrenzte Zunahme über die Umgebungstemperatur und der exakte Ort entlang des Kabels, wo jede örtlich begrenzte Zunahme auftritt, kann elektronisch lokalisiert werden.
Wie zuvor erwähnt, beinhalten die Leiter chemisch behandelte Oberflächen, vorzugsweise beschichtet mit einer Lösung aus Mangannitrat, um eine permanente Isolierung mit einem hohen negativen Temperaturkoeffizient zu erzeugen. Die thermoelektrischen Leiter werden eine die höchste Temperatur entlang der Kabellänge kennzeichnende Spannung erzeugen, wenn sie in nebeneinander liegender berührender Beziehung entlang ihrer ganzen axialen Länge angeordnet und durch Mittel des biegsamen äußeren Mantels über ihre gesamte axiale Länge sicher zusammengehalten werden, wie es für eine spezielle Anwendung oder Messung erforderlich ist. Zusätzlich kann das Kabel mit einer kontinuierlichen metallischen Umhüllung für zuverlässige Anwendungen gemäß der Lehre der US-A-3 737 997 versehen sein.
Wie erkannt werden wird, erzeugt das wärmeempfindliche Kabel der vorliegenden Erfindung eine zuverlässig meßbare Spannung. Diese Spannung ist mit herkömmlichen, preisgünstigen Hitzestrahlungsmessern, Analogmeßgeräten, digitalen Ausgabeanzeigen, Streifenregistriergeräten, Temperaturreglern und Übertragungsgeräten, mikroprozessorunterstützten Datenerfassungsgeräten nach dem Stand der Technik, Datenerfassungsrechner, programmierbare Controller usw. verwendbar. Außerdem kann unter Einsatz von konventionellen zeitabhängigen Reflektometern und elektronischen Schaltkreisen der exakte Ort entlang des Kabels, wo die maximale Temperatur vorliegt, lokalisiert werden.
Während alle in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele zwei Leiter verwenden, ist ersichtlich, daß auch einer oder mehrere zusätzliche Leiter verwendet werden können. Ein derartiger zusätzlicher Leiter, ob isoliert oder nicht isoliert, kann z. B. sinnvoll sein, wo ein Brückennetzwerk eines Ortsmeßgerätes verwendet wird. Folglich ist die vorliegende Erfindung konstruiert worden, um ein Minimum von zwei thermoelektrischen Leitern aufzuweisen.
Mit der vorliegenden Erfindung ist ein kostengünstiges Produkt geschaffen worden, das leicht durch unerfahrene Personen installiert werden kann, die dieselben herkömmlichen Mittel verwenden, wie bei moderner Heimwerktechnik und -verdrahtung. Das Kabel ist auch wiederverwendbar, innerhalb der Grenzen der Kabelmaterialien, und bildet einen effektiven und dauerhaften Temperatursensor vor. Außerdem läuft die vorliegende Erfindung auf die Bereitstellung einer dauerhaften, biegsamen äußeren Oberflächenisolationsbedingung mit einem hohen negativen Temperaturkoeffizienten hinaus.
Schließlich ist es möglich, ein im wesentlichen ununterbrochenes wärmeempfindliches Kabel vorzusehen, bspw. kann das Kabel in Längen von tausenden von Metern (feet) hergestellt wird, zu einem Bruchteil der Kosten die herkömmliche Typen von Konstruktionen von wärmeempfindlichen Vorrichtungen oder Kabeln ausmachen.
Mit der vorliegenden Erfindung sieht ein wärmeempfindliches Kabel eine thermogekoppelte Temperaturüberwachungsvorrichtung vor, die aus einem Paar von Leitern innerhalb eines biegsamen, äußeren Mantels besteht, die Oberflächen besitzen, die mit einer elektrischen Isolierung mit einem negativen Temperaturkoeffizienten behandelt sind. Das Kabel ist passiv und selbsterzeugend, um ein Spannungspotential zwischen den thermoelektrischen Leitern zu erzeugen, die kennzeichnend für die entlang ihrer gesamten Länge existierenden Temperatur ist oder wenn die Temperaturen ungleich sind, dem heißesten Punkt entlang der Kabellänge, falls es externen Temperaturen ausgesetzt ist, entspricht. Wenn das wärmeempfindliche Kabel mittels eines Temperaturmeßgerätes mit einer hohen Eingangsimpedanz überwacht wird, ist dies erstens für präzise, unvergänglich reproduzierbare Messungen der Temperatur geeignet und zweitens geeignet, den Ort des heißesten Punkts zu identifizieren, und ist geeignet, verschiedene Kombinationen von Materialien zu verwenden, um verschiedene mechanische Eigenschaften und Temperatur-Spannungs-Kennfehler zu erzielen.

Claims

1. Wärmeempfindliches Kabel (10), das ein Paar von leitenden Drähten (12, 14) enthält, die aus thermoelektrisch verschiedenen Materialien hergestellt sind, die nebeneinander angeordnet, sich über ein Halbleitermaterial berühren und durch einen äußeren Mantel (18) zusammengehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der äußere Mantel biegsam ist und aus einem elektrisch nicht-leitenden Material besteht,

b) wenigstens einer der leitenden Drähte mit dem Halbleitermaterial behandelt wurde, welches auf diesem in der Form einer dünnen, geschmeidigen Oberflächenbeschichtung (16, 20) oder Wicklung (56, 74) aufgetragen worden ist, so daß die Leiter über ihre ganze Länge nur aufgrund der Dicke der Oberflächenbeschichtung oder Wicklung voneinander beabstandet sind.

2. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem Draht sich befindende Halbleitermaterial (16, 20) eine Beschichtung aus einer Mangannitratlösung ist.

3. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf dem Draht sich befindende Halbleitermaterial (26, 56) eine Beschichtung aus einem Bindemittel mit einem eingebetteten pulverisierten Halbleiter ist.

4. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein temperaturbeständiger Klebstoff und der pulverisierte Halbleiter ein wärmebehandeltes Mangandioxid ist.

5. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Oberfläche des Leiters sich befindende Halbleitermaterial (56) ein biegsames Wicklungsmaterial ist, das mit einem Bindemittel überzogen ist, in dem ein pulverisierter Halbleiter eingebettet ist, und das um den Leiter gewickelt ist.

6. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein temperaturbeständiger Klebstoff und der pulverisierte Halbleiter ein wärmebehandeltes Mangandioxid ist.

7. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das auf der Oberfläche des Leiters sich befindende Halbleitermaterial (74) ein Draht ist, der einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist und um den Leiter gewickelt ist.

8. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus wärmebehandeltem Mangandioxid gebildet ist.

9. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Leiter (12) aus einer Nickel/Chrom-Legierung und der andere der Leiter (14) aus einer Kupfer/Nickel-Legierung gebildet ist.

10. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel/Chrom-Legierung etwa 90% Nickel und 10% Chrom enthält und daß die Kupfer/Nickel-Legierung etwa 55% Kupfer und 45% Nickel enthält.

11. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame äußere Mantel (18) aus extrudiertem Material hergestellt ist und die Leiter über ihre gesamte Länge unter Druck zusammenhält.

12. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame äußere Mantel (18; 46; 58; 84) aus einem wärmeschrumpfbaren Material hergestellt ist und die Leiter über ihre gesamte Länge unter Druck zusammenhält.

13. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame äußere Mantel (18) aus einem Wickelmaterial hergestellt ist und die leitenden Drähte über ihre gesamte Länge unter Druck zusammenhält.

14. Wärmeempfindliches Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Kabel in einer vorhersagbaren Art und Weise in einen Temperaturbereich zwischen wenigstens -3º und 260ºC (-20º und 500ºF) einsetzbar ist.

15. Verfahren zur Herstellung des wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 1, das folgende Schritte enthält:

a) Bereitstellen eines Paars von leitenden Drähten (12, 14), die aus thermoelektrisch verschiedenen Materialien hergestellt sind,

b) Auftragen von Halbleitermaterial auf wenigstens einen der Drähte in Form einer dünnen, geschmeidigen Oberflächenbeschichtung (16, 20) oder in der Form einer Wicklung (56, 74),

c) nebeneinander liegendes Anordnen der Drähte,

d) Umgeben der Drähte durch einen biegsamen äußeren Mantel (18), der aus einem elektrisch nichtleitendem Material hergestellt ist, so daß die leitenden Drähte über ihre gesamte Länge nur aufgrund der Dicke der Oberflächenbeschichtung oder der Wicklung voneinander beabstandet sind.

16. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, in dem das Halbleitermaterial aufgetragen wird, eine Beschichtung des Leiters (12, 14) mit einer Mangannitrat-Lösung enthält.

17. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Mangannitrat-Lösung dadurch bereitgestellt wird, daß Mangannitrat auf eine Temperatur von etwa 38ºC (100ºF) erwärmt wird bis es schmilzt und danach das geschmolzene Mangannitrat auf ungefähr 205º bis 260ºC (400º bis 500ºF) für ungefähr drei Minuten erwärmt wird.

18. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, in dem das Halbleitermaterial aufgebracht wird ein Erwärmen des Leiters nach der Beschichtung mit der Mangannitrat-Lösung enthält.

19. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter mit einer Lösung aus ungefähr 61% Mangannitrat beschichtet wird und daß der Leiter auf eine Temperatur zwischen 150º und 230ºC (300º und 450ºF) erwärmt wird.

20. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, in dem das Halbleitermaterial aufgetragen wird, ein Beschichten des Leiters (28) mit einem Bindemittel und ein Einbetten eines pulverisierten Halbleiters in das Bindemittel enthält.

21. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, in dem das Halbleitermaterial aufgetragen wird, ein Erwärmen des Leiters nach dem Beschichten des Leiters mit dem Bindemittel enthält, wobei danach in das Bindemittel der pulverisierte Halbleiter eingebettet wird.

22. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, in dem das Halbleitermaterial aufgetragen wird, ein Erwärmen des Leiters enthält, nachdem in das Bindemittel der pulverisierte Halbleiter eingebettet worden ist.

23. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein temperaturbeständiger Klebstoff und der pulverisierte Halbleiter ein wärmebehandeltes Mangandioxid ist.

24. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, in dem das Halbleitermaterial aufgetragen wird, das Bereitstellen eines biegsamen Aufwickelmaterials (60), das Beschichten des biegsamen Aufwickelmaterials (60) mit einem Bindemittel, das Einbetten eines pulverisierten Halbleiters in das Bindemittel und das Umwickeln des Leiters (54) mit dem biegsamen Hüllenmaterial enthält.

25. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel ein temperaturbeständiger Klebstoff und der pulverisierte Halbleiter ein wärmebehandeltes Mangandioxid ist.

26. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt, in dem das Halbleitermaterial aufgetragen wird, das Bereitstellen eines Drahts (74), der einen negativen Temperaturkoeffizient aufweist, und das Umwickeln des Leiters (82) mit dem Draht enthält.

27. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Draht aus wärmebehandeltem Mangandioxid hergestellt ist.

28. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Leiter (12) aus einer Nickel/Chrom-Legierung und der andere der Leiter (14) aus einer Kupfer/Nickel- Legierung besteht.

29. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Nickel/Chrom-Legierung etwa 90% Nickel und 10% Chrom und die Kupfer/Nickel-Legierung etwa 55% Kupfer und 45% Nickel enthält.

30. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame äußere Mantel (18) durch Extrudieren eines elektrisch nicht-leitenden Materials auf die Leiter aufgebracht wird, um die Leiter über ihre gesamte Länge unter Druck zusammenzuhalten.

31. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame äußere Mantel (18; 46; 58; 84) durch Wärmeschrumpfen eines elektrisch nicht-leitenden Materials auf die Leiter aufgebracht wird, um die Leiter über ihre gesamte Länge unter Druck zusammenzuhalten.

32. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der biegsame äußere Mantel (18) durch Umwickeln der Leiter mit einem elektrisch nicht-leitenden Material aufgebracht wird, um die Leiter über ihre gesamte Länge unter Druck zusammenzuhalten.

33. Verfahren zur Herstellung eines wärmeempfindlichen Kabels nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeempfindliche Kabel in einer vorhersagbaren Art und Weise in einem Temperaturbereich zwischen etwa wenigstens -30º und 260ºC (-20º und 500ºF) einsetzbar ist.