DE3887027T2

DE3887027T2 - Sensor zur Messung durch elektrische Beheizung.

Info

Publication number: DE3887027T2
Application number: DE3887027T
Authority: DE
Inventors: Tomoshige Hori; Kensuke Itoh; Yasuhiko Shiinoki
Original assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Current assignee: Snow Brand Milk Products Co Ltd
Priority date: 1987-08-12
Filing date: 1988-07-29
Publication date: 1994-07-07
Anticipated expiration: 2008-07-30
Also published as: NZ225544A; US4882571A; EP0303116B1; EP0303116A3; DK449688A; EP0303116A2; DE3887027D1; JPS6444838A; CA1310513C; JPH0774790B2; AU2055288A; AU598150B2; DK171801B1; DK449688D0

Description

DER ERFINDUNG ZUGRUNDELIEGENDER STAND DER TECHNIK

Diese Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung von Eigenschaften vieler Arten von Fluiden durch die sogenannte elektrische Wärmeßmethode.
Das in der vorliegenden Beschreibung genannte "Fluid" bezeichnet alle Arten von Fluiden, die aus einer gasföreigen Substanz, einer flüssigen Substanz oder einer festen Substanz, wie z, B. einem Pulver, oder aus zwei oder mehreren dieser Substanzen bestehen, ebenso wie den Typ von Fluiden, die im Laufe der Zeit eine Phasenumwandlung durchmachen.
Die Erfinder dieser Anmeldung haben bereits in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 62(1987)-56849 einen Sensor zur Messung durch elektrische Erwärmung vorgeschlagen; dieser Sensor hat einen Kernbolzen, der durch ein elektrisches Isolatorelement bedeckt wird, einen dünnen Draht, der um den Kern gewickelt ist, und ein elektrisches Isolatorelement, das den dünnen Metalldraht umhüllt.
Bei dem oben erwähnten herkömmlichen Sensor ist der dünne Metalldraht um ein Mehrfaches länger als der Sensor, da der dünne Metalldraht um den Kernbolzen gewickelt ist. Somit hat der Sensor einige Vorteile: der elektrische Widerstand nimmt entsprechend der Länge des Drahtes zu, und daher kann eine große Wärmestromdichte pro Längeneinheit des Meßfühlers mit einer geringen elektrischen Stromstärke erhalten werden. Weiterhin kann der Sensor selbst nicht leicht durchbrechen oder verbogen werden.
Andererseits tritt, da der dünne Metalldraht um den Kernbolzen gewickelt und spiralförmig gebogen ist, eine Spannungs-Dehnung in dem dünnen Metalldraht auf. Hierin liegt nun ein Nachteil: Wenn eine Glühbehandlung durchgeführt wird, um die Spannungs-Dehnung des dünnen Metalldrahtes zu verhindern, ändert sich dessen elektrischer Widerstand von Anfang an deutlich und wird sich auch im Laufe der Zeit noch bedeutend verändern.
Die Änderung des elektrischen Widerstands ist von Sensor zu Sensor unterschiedlich, und daher ist es schwierig, den speziellen Wert zu bestimmen, der allen Sensoren gemeinsam ist.
Daher ist es schwierig, einen Sensor herzustellen, der nach der Herstellung einen bestimmten erwünschten elektrischen Widerstand hat. Der Sensor ist nicht austauschbar, da jeder Sensor einen unterschiedlichen elektrischen Widerstand hat, und somit muß eine Verhältnisgleichung zwischen dem elektrischen Widerstand und den Eigenschaften der Materialien jeweils für jeden Sensor einzeln ermittelt werden.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor bereitzustellen, bei dem keine Spannungs-Dehnung an einem dünnen Metalldraht auftritt und dessen elektrischer Widerstandswert nach einer Glühbehandlung im Zeitverlauf konstant bleibt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann mit Hilfe eines Sensors für die elektrische Wärmemeßmethode gemäß Anspruch 1 erfüllt werden.
Anders als bei dem herkömmlichen Sensor, der durch Wickeln eines dünnen Metalldrahtes um einen Kernbolzen gebildet wird, tritt in dem dünnen Metalldraht gemäß der vorliegenden Erfindung keine Spannungs-Dehnung auf. Somit kann ein austauschbarer Sensor mit einem bestimmten erwünschten elektrischen Widerstand erhalten werden. Weiterhin kann man erreichen, daß im Falle einer Produktion in großen Stückzahlen der Wert des elektrischen Widerstandes von Sensor zu Sensor unveränderlich bleibt, so daß keine Anpassung erforderlich ist.
Weiterhin wird, gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung zusätzlich zu dem oben erwähnten technischen Mittel ein Sensor zur elektrischen Wärmemessung bereitgestellt, bei dem die dünnen Metalldrähte, die dünner als die Durchgangsbohrungen sind, in und durch die Durchgangsbohrungen, die in Abständen zwischen den dünnen Metalldrähten angeordnet sind, geführt werden, und bei dem die Durchgangsbohrungen mit Keramik-Pulver gefüllt sind, wobei das Pulver bei einer Temperatur hitzebehandelt wird, die niedriger als die Sinter-Temperatur des Keramik-Pulvers ist.
In Übereinstimmung mit dem zweiten technischen Mittel kann der elektrische Widerstand des Sensors nicht durch die Spannungs-Dehnung in dem dünnen Metalldraht beeinflußt werden, da im Falle einer Volumenausdehnung bei Erwärmung der dünne Metalldraht nicht gegen das Innere des Bolzens gedrückt wird.
Wenn zwei oder mehr dünne Metalldrähte, die in den Bolzen in dessen Längsrichtung eingeführt worden sind, in Serie verbunden werden, erhöht sich ferner der elektrische Widerstand derartig, daß, wie bei dem herkömmlichen Sensor, mit geringer elektrischer Stromstärke eine große Wärmestromdichte pro Längeneinheit des Meßfühlers erhalten werden kann

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die oben genannten und weitere Aufgaben der Erfindung werden mit Bezug auf die Beschreibung in Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich. In diesen ist:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht, zum Teil im Schnitt, eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung,
fig. 2 eine perspektivische Ansicht, zum Teil aufgerissen, um den inneren Aufbau eines Bolzens zu zeigen,
Fig. 3 ein Seitenaufriß des in Fig. 2 gezeigten Bolzens,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht, zum Teil aufgerissen, um den inneren Aufbau eines Sensorelementes zu zeigen,
Fig. 5 ein Längsschnitt einer Hülle,
Fig. 6 ein Aufriß, zum Teil im Schnitt, eines Sensors gemäß der vorliegenden Erfindung.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Fig. 1 zeigt einen Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung, der dadurch gebildet wird, daß ein Sensorelement 10 mit einer Hülle 40 umgeben wird.
Als erstes wird im folgenden das Sensorelement 10 beschrieben.
Ein Bolzen 12, wie in Fig. 2 beschrieben, hat zehn Durchgangsöffnungen 18 für dünne Metalldrähte; diese Durchgangsöffnungen führen durch den Bolzen in Längsrichtung und in gleichen Abständen voneinander entlang der Peripherie des Bolzens. Vier weitere Durchgangsbohrungen 22, die an den zentralen Bereich des Bolzens angrenzend und weiter innen als die Durchgangsbohrungen 18 für die dünnen Metalldrähte angeordnet sind, führen ebenfalls durch den Bolzen 12. Mehrere gerade dünne Metalldrähte werden in und durch die Durchgangsbohrungen 18 für dünne Metalldrähte geführt
Die dünnen Metalldrähte werden U-förmig gebogen, und ein Paar Endstücke jedes dünnen Metalldrahtes wird in und durch ein Paar nebeneinander liegender Durchgangsbohrungen von einer hinteren Endfläche 16 bis zu einer vorderen Endfläche 14 des Bolzens 12 geführt. In dem Beispiel in Fig. 2 werden fünf U-förmige dünne Metalldrähte 20 in und durch jedes Paar Durchgangsbohrungen für dünne Metalldrähte geführt. An der vorderen Endfläche ist ein Endstück eines dünnen Metalldrahtes durch Punktschweißung ordentlich mit dem Endstück eines anderen dünnen Metalldrahtes verbunden, das neben dem oben genannten entsprechenden Endstück liegt. Auf diese Weise sind die dünnen Metalldrähte 20 in Serie geschaltet, und an der vorderen Endfläche 14 wird eine Widerstandsleitung zwischen einem Endstück 20A und einem Endstück 20B gebildete
Andererseits werden zwei gerade Zuleitungsdrähte 24, 24 in und durch die weiteren Durchgangsbohrungen 22 für Zuleitungsdrähte 24 geführt. Die Zuleitungsdrähte 24 werden ebenfalls, in gleicher Weise wie bei der oben erwähnten Vorgehensweise in bezug auf den dünnen Metalldraht 20, U-förmig gebogen, und ein Paar Endstücke jedes Zuleitungsdrahtes wird in und durch ein Paar nebeneinanderliegender Durchgangsbohrungen geführt, aber von der vorderen Endfläche 14 bis zur hinteren Endfläche 16 des Bolzens 12, anders als bei dem dünnen Metalldraht 20. An der vorderen Endfläche 14 werden die Endstücke 20A, 20B der dünnen Metalldrähte 20 mit Kontaktpunkten 26, 28 der beiden Zuleitungsdrähte 24, 24 durch Punktschweißung verbunden.
Auf diese Weise werden die beiden Zuleitungsdrähte 24, 24 mit den Kontaktpunkten 26 und 28 verbunden, um den elektrischen Widerstand des dünnen Metalldrahtes 20 durch die Vier-Anschluß-Methode (Vierpolmethode) zu messen. Zum Beispiel kann die thermische Veränderung der Umgebung des Sensors genau festgestellt werden, indem eine Stromquelle und ein Spannungsmesser mit diesen Zuleitungsdrähten verbunden werden, wobei die dünnen Metalldrähte 20 von einem ausreichend starken Strom durchflossen werden und gleichzeitig eine Spannung zwischen den Kontaktpunkten 26 und 28 gemessen und der elektrische Widerstand des dünnen Metalldrahtes 20 berechnet wird.
Wie in Fig. 4 gezeigt, sind der dünne Metalldraht 20 und der Zuleitungsdraht 24 etwas dünner als die Durchgangsbohrungen 18 und die weiteren Bohrungen 22 für Zuleitungsdrähte, Keramik-Pulver 30 wird in den verbleibenden Raum in den Durchgangsbohrungen 18 und den weiteren Bohrungen 22 für Zuleitungsdrähte gefüllt. Eine Glasabdichtung 32 wird sowohl an der vorderen Endfläche 14 als auch an der hinteren Endfläche 16 des Bolzens 12 angebracht, damit ein Auslaufen des Keramik-Pulvers 30 verhindert wird.
Das eingefüllte Keramik-Pulver 30 wird bei niedriger Temperatur behandelt. In dieser Patentbeschreibung bedeutet "niedrige Temperatur" eine Temperatur, die niedriger als die Sinter-Temperatur der Keramik ist.
Auf diese Weise kann das bei niedriger Temperatur behandelte Keramik-Pulver 30 eine Exzentrizität des dünnen Metalldrahtes 20 verhindern. Da dieser Zustand leicht zerstört werden kann, wird bei Volumenausdehnung das dünnen Metalldrahtes 20 unter Erhitzung der dünne Metalldraht 20 nicht gequetscht, und daher tritt in dem dünnen Metalldraht 20 keine Spannungs-Dehnung auf.
Im Sensorelement 10 des oben erwähnten Beispiels ist der Bolzen 12 eine Säule mit 1,4 mm Durchmesser und 100 mm Länge und besteht aus Keramik mit hohem Reinheitsgrad (mehr als 99,9%) aus gesintertem kristallisierten Aluminiumoxid, der dünne Metalldraht 20 ist ein Platindraht mit 0,110 mm Durchmesser, und der Zuleitungsdraht 22 ist ein Platindraht mit 0,15 mm Durchmesser. Bohrungen 18 für dünne Metalldrähte mit 0,16 mm Durchmesser sind entlang des Bolzens 12 vorgesehen, und weitere Bohrungen mit 0,16 mm Durchmesser für Zuleitungsdrähte sind im Zentrum des Bolzens 12 vorgesehen.
Der Bolzen 12 aus Keramik weist gute Bearbeitbarkeit und hohe Festigkeit auf; der Bolzen erleidet keine Änderung in seiner Qualität und verformt sich nicht. Weiterhin ist der Volumenausdehnungskoeffizient des Bolzens mehr oder weniger der gleiche wie der von Platin. Der dünne Metalldraht 20 aus Platin weist eine dauerhafte Stabilität hinsichtlich seines elektrischen Widerstands auf.
Ferner ist der elektrische Widerstand des Sensors mit 10 Ω festgelegt, und zwar hat der Platindraht mit 0,110 mm Durchmesser einen spezifischen Widerstand von 10 Ω/m, und 60 ergibt sich der gewünschte Widerstandswert aus diesen Werten. Im Falle einer Produktion mit großen Stückzahlen liegt der Abweichungsfehler des elektrischen Widerstandes eines jeden Sensorelementes 10 bei etwa ±0,1%. Es kann ein elektrischer Widerstand mit hoher Stabilität, sowohl über die Zeit als auch gegenüber den Erwärmungs-Abkühlungs-Zyklen, erreicht werden.
Weiterhin wird der Zuleitungsdraht 24 einstückig in den Bolzen 10 eingeführt, damit der Zuleitungsdraht 24 nicht in direkten Kontakt mit dem Sensorelement 10 gebracht wird, um einen Wärmeabfluß vom Zuleitungsdraht 24 zu verhindern. Somit kann die Wärme des dünnen Metalldrahtes 20 nicht durch den Zuleitungsdraht 24 abgegeben werden.
Alb nächstes wird eine Hülle 40 beschrieben, die das Sensorelement 10 umgibt. Wie in Fig. 5 gezeigt, sind kurze Röhren 44, 46 und eine Röhre 48 an dem hinteren Endstück einer Röhre 42 angebracht, die einen etwas größeren Innendurchmesser als das Sensorelement 10 hat.
Diese Röhren werden einheitlich durch Verstemmen von ihrer Peripherie aus befestigt.
Als Röhrenmaterial wird beispielsweise rostfreier Stahl (SUS 316L), Platin-Palladium oder Titan verwendet; jedoch wird das Röhrenmaterial wahlweise in Übereinstimmung mit den Bedingungen festgelegt.
Nach Einführen des Sensorelementes 10 in die Röhre 42 im Bereich ihres vorderen Endes erfolgt Ansaugen vom vorderen Ende der Röhre 42A aus und Einfüllen eines Harzes in die Hülle 40 von deren hinterem Ende aus, um das Sensorelement vom Außenraum elektrisch zu isolieren.
Anstelle von Harz kann Keramik-Pulver, Magnesiumoxid-Pulver usw. in die Hülle 40 eingefüllt werden.
Der Zuleitungsdraht 24 kann in beliebiger Weise mit einem Kabel 50 verbunden werden, das in der Hülle 40 eine ausreichende Festigkeit aufweist, und zum Schutz dem Kabels 50 kann ein Federmittel 52 vorgesehen werden, um einen Sensor mit ausgezeichneter Dauerhaftigkeit zu erhalten.
Die oben beschriebene Hülle 40 ist nur ein Beispiel für eine elektrisch isolierende Hülle für das Sensorelement 10, und somit beschränkt es keinesfalls die Konstruktion der vorliegenden Erfindung mit der Ausnahme, daß in jedem Falle eine elektrisch isolierende Hülle des Sensorelementes 10 vorgesehen sein muß.
Wie in der oben erfolgten Beschreibung verdeutlicht wird, kann der Sensor gemäß der vorliegenden Erfindung als Widerstands-Temperatur-Sensor eingesetzt werden, um die Temperatur der Umgebung des Sensors zu messen, indem der dünne Metalldraht mit Strom versorgt wird, während gleichzeitig die Spannung gemessen wird, die an dem dünnen Metalldraht anliegt, um die Veränderung des elektrischen Widerstands zu erfassen.
Was die andere Anwendung betrifft, so werden zwei Sensoren gemäß der vorliegenden Erfindung in das Fluid eingebracht, wobei einer von ihnen dazu dient, durch Wärmeabgabe die Temperatur zu erhöhen, und der andere als Widerstands-Temperatur-Sensor zur Messung der thermischen Leitfähigkeit eingesetzt wird, so daß viele verschiedene Eigenschaften von Fluiden aus diesen Werten bestimmt werden können. Weiterhin kann die vorliegende Erfindung in vielen Bereichen in beliebiger Weise eingesetzt werden.
Während beschrieben wurde, was gegenwärtig als bevorzugte Ausführungsform der Erfindung betrachtet wird, wird darauf hingewiesen, daß daran verschiedene Modifikationen vorgenommen werden können, und es ist beabsichtigt, daß in den angefügten Ansprüchen alle derartigen Modifikationen abgedeckt werden, soweit sie in den Bereich der Erfindung fallen, wie er in den Ansprüchen definiert wird.

Claims

1. Sensor zur Bestimmung physikalischer Eigenschaften eines Fluids durch die elektrische Wärmemeßmethode durch Messung der Temperaturdifferenz zwischen dem umgebenden Fluid und einem Draht, bei der eine elektrische Stromquelle und ein Voltmeter mit einer dünnen Metallwiderstandsdrahtleitung verbunden sind, die um ein Zentrum angeordnet sind, und mit einem elektrischen Isolatorelement, das die Widerstandsdrahtleitung und das Zentrum bedeckt, wobei die Metallwiderstandsdrahtleitung und der Isolator einen länglichen Bolzen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß

(a) die Endflächen (16, 14) des Bolzens (12) mit Bohrungen (18) versehen sind, die sich in gerader Linie durch den Bolzen in dessen Longitudinalrichtung erstrecken und durch die dünne Metalldrähte (20) von einer Stirnfläche zur anderen und in Serie verbunden eingesetzt sind, so daß die Widerstandsdrahtleitung gebildet ist,

(b) der Bolzen kompakt ist und daß die Bohrungen (18) entlang der Peripherie des Bolzens voneinander Abstand haben,

(c) Zuleitungsdrähte (24, 24) in weiteren Bohrungen (22) im Bolzen vorhanden sind, die getrennt von den Bohrungen (18) für die dünnen Metalldrähte (20) sind,

(d) die weiteren Bohrungen (22) für die Zuleitungsdrähte (24, 24) im Bereich des Zentrums des Bolzens angeordnet sind,

(e) an einem Ende des Bolzens (Fläche 14) die dünnen Metalldrähte (20) mit den Zuleitungsdrähten (24, 24) verbunden sind, um den elektrischen Widerstand der Metallwiderstandsdrahtleitung durch die Vier-Anschluß-Methode zu messen.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum um die dünnen Metalldrähte (20) innerhalb der Bohrungen (18) mit Keramik-Pulver (30) gefüllt ist.

3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramik-Pulver (30) bei einer Temperatur hitzebehandelt ist, die niedriger als die Sinter-Temperatur des Keramik-Pulvers ist.

4. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor in einer Hülle (14) angeordnet ist, die größer ist als der Sensor, und daß der Raum zwischen dem Sensor und der Hülle mit einem Harz gefüllt ist.