DE4337676A1 - Abgeglichener Drahtwiderstand zur Erfassung der Temperatur und Verfahren zur Herstellung von abgeglichenen Drahtwiderständen - Google Patents

Abgeglichener Drahtwiderstand zur Erfassung der Temperatur und Verfahren zur Herstellung von abgeglichenen Drahtwiderständen

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen abgeglichenen Drahtwiderstand zur Erfassung der Temperatur sowie auf ein verfahren zur Herstellung von abgeglichenen Drahtwiderständen gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 7.
Ein solcher Drahtwiderstand wird vorteilhaft in Einrichtungen zur Erfassung der Temperatur oder der Temperaturänderung eines Mediums über den Wert des elektrischen Widerstandes beziehungsweise die Änderung des Wertes des elektrischen Widerstandes des im Medium angeordneten Drahtwiderstandes verwendet. Die Erfindung ist allgemein für Drahtwiderstände anwendbar.
Es ist ein Drahtwiderstand dieser Art bekannt (DE 32 17 613 A1), bei dem ein gewickelter Draht in Reihe zu einem gedruckten Schichtwiderstand geschaltet ist und der abgeglichen wird, indem der Schichtwiderstand in bekannter Art - beispielsweise durch Auftrennen von Leiterzügen oder durch zusätzliches Auftragen leitender Schichten - in erforderlichem Maß verändert wird.
Es ist auch bekannt (DE 29 38 962 A1), den Querschnitt eines gewickelten Drahtwiderstandes durch Sandstrahlen zu verkleinern und dadurch den Drahtwiderstand abzugleichen. Dieses Abgleichverfahren eignet sich nur für unisolierte Drähte mit relativ großem Drahtquerschnitt.
Im weiteren ist eine Einrichtung mit einer Meßbrücke und einer Abwickeleinrichtung zum Abgleichen von gewickelten isolierten Drahtwiderständen bekannt (DE 30 26 914 C2), in welcher ein Generator der Meßbrücke kapazitiv an den isolierten Draht des Drahtwiderstandes gekoppelt ist, der einen Teil der Meßbrücke darstellt. Der Draht wird durch die Abwickeleinrichtung so lange vom Drahtwiderstand abgewickelt, bis der Sollwert des gewickelten Drahtwiderstandes erreicht ist.
Damit die bekannten Drahtwiderstände eine gewünschte Kennlinie aufweisen, ergeben sich - bedingt durch aufwendiges Abgleichen - hohe Fertigungskosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Drahtwiderstand zur Erfassung der Temperatur zu schaffen, der einen vorgegebenen Kennlinienverlauf - elektrischer Widerstand in Abhängigkeit der Temperatur - aufweist, sowie ein Verfahren anzugeben, durch welches der Drahtwiderstand ohne Abgleichvorgang herstellbar ist.
Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt
Fig. 1 den allgemeinen Aufbau eines erfindungsgemäßen Drahtwiderstandes,
Fig. 2 die prinzipielle Kennlinie des Drahtwiderstandes und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Fertigung des Drahtwiderstandes.
In der Fig. 1 bedeutet 1 einen Wickelkörper eines abgeglichenen Drahtwiderstandes, der einen ersten Wickel 2 und einen zweiten Wickel 3 aufweist. Im weiteren weist der Drahtwiderstand ein erstes, mit einem ersten Ende des ersten Wickels 2 verbundenes elektrisches Anschlußelement 4 und auch ein zweites, mit einem ersten Ende des zweiten Wickels 3 verbundenes elektrisches Anschlußelement 5 auf. Das zweite Ende des ersten Wickels 2 und das zweite Ende des zweiten Wickels 3 sind über ein elektrisches Verbindungselement 6 miteinander galvanisch verbunden.
Die beiden Wickel 2 und 3 sind aus Draht und weisen voneinander verschiedene Temperaturkoeffizienten auf.
Grundsätzlich ist der Drahtwidertand entweder als Reihenschaltung der beiden Wickel 2 und 3 oder dann als Parallelschaltung der beiden Wickel 2 und 3 abgeglichen und in einer Anwendung in bekannter Art entsprechend anzuschließen.
Für den Einsatz als Temperaturfühler mit kleiner Ausdehnung ist der Drahtwiderstand der kleineren resultierenden Drahtlängen wegen vorteilhaft als Reihenschaltung der beiden Wickel 2 und 3 abgeglichen und damit an den beiden Anschlußelementen 4 und 5 anschließbar.
Die gewählte geometrische Form wie auch die Abmessungen des Drahtwiderstandes richten sich im wesentlichen nach den Anforderungen des Einsatzgebietes. So kann der Wickelkörper 1 in bekannter Weise rohrförmig oder rechtkantig, steif oder flexibel sein, oder er kann auch ganz entfallen.
In der Fig. 2 ist mit 7 die Kennlinie des abgeglichenen Drahtwiderstandes bezeichnet, welche den Verlauf des Widerstandswertes R in Abhängigkeit der Temperatur T prinzipiell beschreibt.
Der Drahtwiderstand hat in einem ersten Punkt 8 der Kennlinie 7, der bei einer unteren Bezugstemperatur T1 gewählt ist, einen ersten Sollwert Rsoll,T1 und in einem zweiten, bei einer oberen Bezugstemperatur T2 liegenden Punkt 9 der Kennlinie 7 einen zweiten Sollwert Rsoll,T2.
Die Kennlinie 7 des abgeglichenen Drahtwiderstands ist durch die beiden zusammengeschalteten Wickel 2 und 3 bestimmt.
Im folgenden wird ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung abgeglichener Drahtwiderstände gemäß der Erfindung vorgestellt. Die dargestellten Berechnungsformeln gelten dann, wenn die beiden Wickel 2 und 3 in Reihe geschaltet sind. Für die Parallelschaltung der beiden Wickel 2 und 3 sind entsprechende Formeln nach den gezeigten Ansätzen herzuleiten.
Der erste Wickel 2 wird mit einer erforderlichen Widerstandsänderung gewickelt, die sich beim Drahtwiderstand bei einer Temperaturänderung im Intervall zwischen der unteren Bezugstemperatur T1 und der oberen Bezugstemperatur T2 einstellen soll, wobei die Widerstandsänderung als die Differenz Rsoll,T2 - Rsoll,T1 zwischen dem zweiten Sollwert Rsoll,T2 und dem ersten Sollwert Rsoll,T1 definiert und vorgegeben ist.
Im folgenden bedeutet i eine natürliche Zahl, die zur fortlaufenden Zählung und Benennung nacheinander gewickelter Drahtwiderstände beziehungsweise der zum Drahtwiderstand gehörenden beiden Wickel 2 und 3 verwendet wird.
Die Drahtlänge lw1,i+1 des ersten Wickels 2 eines neu zu wickelnden (i+1)-ten Drahtwiderstandes wird aus Messungen des Widerstandes und der Drahtlänge des zuvor gewickelten ersten Wickels 2 des i-ten Drahtwiderstandes besteht. Hat der erste Wickel 2 des i-ten Drahtwiderstandes die Drahtlänge lw1,i, während sein Widerstand bei der unteren Bezugstemperatur T1 einen Wert Rw1,T1,i bzw. bei der oberen Bezugstemperatur T2 einen Wert Rw1,T2,i aufweist, so berechnet sich die Drahtlänge lw1,i+1 nach folgender Formel [F1]:
lw1,i+1 = ((Rsoll,T2 - Rsoll,T1) / (Rw1,T2,i - Rw1.T1,i))·lw1,i [F1]
Der erste Wickel 2 ist vorteilhaft aus einem Metall mit einem hohen Temperaturkoeffizienten, vorzugsweise aus Nickel.
Damit sich beim Drahtwiderstand nicht nur die geforderte Widerstandsänderung Rsoll,T2 - Rsoll,T1 sondern zudem auch noch die beiden Sollwerte Rsoll,T1 und Rsoll,T2 einstellen, ist der erste Wickel 2 mit einem zweiten Wickel 3 zusammengeschaltet, der vorteilhaft aus einem Widerstandsdraht gewickelt ist, dessen Temperaturkoeffizient ein vielfaches kleiner als der Temperaturkoeffizient des ersten Wickels 2 ist, so daß er vernachlässigbar ist.
Wenn bei gegebenem Sollwert Rsoll,T1 bzw. Rsoll,T2 bei den beiden Wickeln 2 und 3 für einen gewünschten Drahtquerschnitt möglichst kleine Drahtlängen gefordert sind, werden die beiden Wickel 2 und 3 vorzugsweise in Reihe geschaltet.
Die Drahtlänge lw2,i+1 des zweiten Wickels 3 des neu zu wickelnden (i+1)-ten Drahtwiderstandes wird aus Messungen des Widerstandes Rw2,i und der Drahtlänge lw2,i des zuvor gewickelten zweiten Wickels 3 des i-ten Drahtwiderstandes bestimmt. Hat der zweite Wickel 3 des i-ten Drahtwiderstandes die Drahtlänge lw2,i+1 während sein Widerstand bei der unteren Bezugstemperatur T1 wie auch bei der oberen Bezugstemperatur T2 einen gleichen Wert Rw2,i aufweist, so berechnet sich die Drahtlänge lw2,i+1 nach der folgenden, auf die untere Bezugstemperatur bezogenen Formel [F2]:
lw2,i+1 = ((Rsoll,T1 - Rw1,T1,i·w1,i+1/lw1,i)/Rw2,i)·lw2,i [F2]
oder dann nach der folgenden, auf die obere Bezugstemperatur bezogenen Formel [F3]:
lw2,i+1 = ((Rsoll,T2 - Rw1,T2,i·lw1,i+1/lw1,i+1)Rw2,i)·lw2,i [F3]
Wenn der erste Wickel 2 aus Nickel und der zweite Wickel 3 aus einer Nickel-Chrom Legierung mit einem Nickel-Anteil von beispielsweise 80% ist, so ergibt sich eine vorteilhafte Ausführung des Drahtwiderstandes, bei welcher der Temperaturkoeffizient des zweiten Wickels 3 vernachlässigbar ist.
In einer verallgemeinerten Variante des Drahtwiderstands ist weder der Temperaturkoeffizient des ersten Wickels 2 noch der Temperaturkoeffizient des zweiten Wickels 3 vernachlässigbar.
Wenn der erste Wickel 2 aus Nickel und der zweite Wickel 3 aus einer Kupfer-Nickel-Legierung ist, so ergibt sich eine kostengünstige Ausführung des Drahtwiderstandes, bei welcher der Temperaturkoeffizient des zweiten Wickels 3 nicht vernachlässigbar ist.
In der verallgemeinerten Variante weist somit der elektrische Widerstand des zweiten Wickels (3) bei der unteren Bezugstemperatur T1 beim i-ten Drahtwiderstand einen Wert Rw2,T2,i und beim (i+1)-ten Drahtwiderstand einen Wert Rw2,T1,i+1 auf, während der Widerstand bei der zweiten Bezugstemperatur T2 beim i-ten Drahtwiderstand einen Wert Rw2,T2,i bzw. beim (i+1)-ten Drahtwiderstand einen Wert Rw2,T2,i+1 aufweist.
Auch bei der verallgemeinerten Variante sind die Drahtlängen lw1,i+1 bzw. lw2,i+2 des neu zu wickelnden (i+1)-ten Drahtwiderstandes aus gemessenen Werten des zuvor gewickelten i­ ten Drahtwiderstandes zu berechnen.
Die Drahtlänge lw1,i+1 des ersten Wickels wird mit Vorteil nach der folgenden Formel [F4] berechnet:
während die Drahtlänge lw2,i+2 vorteilhaft entweder nach der folgenden, auf die untere Bezugstemperatur bezogenen Formel [F5]:
lw2,i+1 = ((Rsoll,T1 - Rsoll,T1,i·lw1,i+1/lw1,i)/Rw2,T2,i)·lw2,i [F5]
oder dann nach der folgenden, auf die obere Bezugstemperatur bezogenen Formel [F6] berechnet wird:
lw2,i+1 = ((Rsoll,T2 - Rw1,T2,i·lw1,i+1/lw1,i)/Rw2,T2,i)·lw2,i [F6]
Grundsätzlich kann bei der Fertigung des (i+1)-ten Drahtwiderstands zuerst der erste Wickel 2 oder der zweite Wickel 3 gewickelt werden.
In einer abstrakten Betrachtungsweise des allgemeinen Ansatzes wird der erste Sollwert Rsoll,T1 mit einer Formel [F7]:
Rw1,T1,i·lw1,i+1/lw1,i + Rw2,T1,i·lw2,i+1/lw2,i = Rsoll,T1 [F7]
und der zweite Sollwert Rsoll;T2 mit einer Formel [F8] definiert:
Rw1,T2,i·lw1,i+1/lw1,i + Rw2,T2,i·lw2,i+1/lw2,i = Rsoll,T2 [F8]
Aus den beiden Formeln [F7] und [F8] ist eine Formel [F9] zur Berechnung der Drahtlänge lw1,i+1 des ersten Wickels 2 für den (i+1)-ten Drahtwiderstand und auch eine Formel [F10] zur Berechnung der Drahtlänge lw2,i+1 des zweiten Wickels 3 für den (i+i )-ten Drahtwiderstand herleitbar:
Ein vorteilhafter Ablauf bei der Produktion der Drahtwiderstände gemäß der Erfindung ist in der Fig. 3 dargestellt, in der mit 10 eine Initalisierungsphase und mit 11 eine auf die Initialisierungsphase 10 folgende Schleife mit einer Schleifenbedingung 12 bezeichnet ist. Die Schleife weist eine erste Produktionsphase 13 auf, an die sich eine zweite Produktionsphase 14 anschließt.
Die Initialisierungsphase 10 wird bei Produktionsbeginn und im Bedarfsfall auch bei neu eingesetzten Drahtrollen durchlaufen.
In der Initialisierungsphase 10 wird bei Bedarf die Zahl i, nach welcher der zu produzierende Drahtwiderstand benannt ist, auf einen Startwert - der beispielsweise null beträgt - gesetzt und der i-te Drahtwiderstand gefertigt. Dazu werden die beiden Drahtlängen lw1,i und lw2,i durch eine Berechnung und/oder eine Schätzung bestimmt, deren Grundlage beispielsweise die zuletzt verarbeitete Drahtrolle ist. Der in der Initialisierungsphase gefertigte Drahtwiderstand ist möglicherweise später als Ausschuß auszuscheiden.
In der ersten Produktionsphase 13 wird der erste Wickel 2 des (i+1)-ten Drahtwiderstandes gefertigt und dazu die Drahtlänge lw1,i+1 unter Verwendung der gemessenen Drahtlänge lw1,i und gemessener Widerstandswerte des i-ten Drahtwiderstandes vorteilhaft nach der Formel [F1] oder bei der verallgemeinerten Variante nach der Formel [F4] bzw. nach der Formel [F9] berechnet.
In der zweiten Produktionsphase 14 wird der zweite Wickel 3 des (i+1)-ten Drahtwiderstandes gefertigt und dazu die Drahtlänge lw2,i+1 unter Verwendung der beiden gemessenen Drahtlängen lw1,i und lw2,i sowie gemessener Widerstandswerte des i-ten Drahtwiderstandes vorteilhaft entweder nach einer der Formeln [F2] oder [F3] oder dann bei der verallgemeinerten Variante nach einer der Formeln [F5] oder [F6] bzw. [F10] berechnet.
Am Schluß der zweiten Produktionsphase 14 wird die Zahl i um eins erhöht und bei erfüllter Schleifenbedingung 12, in der beispielsweise auch der Drahtvorrat geprüft wird, wird die Produktion mit der ersten Produktionsphase 13 fortgesetzt.
In den beiden Produktionsphasen 13 und 14 wird während des Wickelns laufend die Länge des gewickelten Widerstandsdrahtes genau gemessen. Im weiteren wird die Steigung des Widerstandsdrahtes, d. h. der Vorschub pro Umdrehung des Wickelkörpers 1, vorteilhaft aufgrund der noch aufzubringenden Drahtlänge, der Position des den Widerstandsdraht führenden Fadenrohres und der Drehwinkelposition des Wickelkörpers 1 gesteuert.
Bei Bedarf wird ein Teil der Wickel 2 bzw. 3 auf das entsprechende Anschlußelement 4 bzw. 5 aufgewickelt, womit die berechneten Drahtlängen lw1,i+1 bzw. lw2,i+1 optimal wickelbar sind.
Die beiden Enden der Wickel 2 bzw. 3 werden am Anschlußelement 4 bzw. 5 wie auch am Verbindungselement 6 vorteilhaft durch Lichtbogenschweißen verbunden.
Dadurch, daß der Drahtwiderstand zwei zusammengeschaltete Wickel 2 und 3 mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten aufweist und dadurch, daß beim (i+1)-ten Drahtwiderstand die genaue Drahtlänge lw1,i+1 des ersten Wickels 2 und auch die genaue Drahtlänge lw2,i+1 des zweiten Wickels 3 mit Hilfe gemessener Werte des i-ten Drahtwiderstandes berechnet werden, ist der Drahtwiderstand nach Abschluß des Wickelns fertig abgeglichen. Allfällige Schwankungen des Temperaturkoeffizienten wie auch allfällige Schwankungen des spezifischen Widerstands und des Querschnitts bei den verwendeten Widerstandsdrähten werden fortlaufend erfaßt und zur adaptiven Regelung der Drahtlänge lw1,i+1 des ersten Wickels 2 und auch der Drahtlänge lw2,i+1 des zweiten Wickels 3 verwendet.
Eine zusätzliche Vereinfachung des Verfahrens, mit entsprechenden Zeit- und Kosteneinsparungen, kann erreicht werden, wenn ein Prozeßparameter p eingeführt und aktualisiert wird, der im wesentlichen von der Drahtinhomogenität des verwendeten Widerstandsdrahtes bestimmt ist und der bei Bedarf mittels statistischer Methoden optimiert wird. Statt bei jedem Drahtwiderstand die Wickel 2 bzw. 3 zu vermessen, wird vereinfacht nur noch jeder p-te Wickel 2 bzw. 3 gemessen.
Das vorgestellte Verfahren ermöglicht eine Miniaturisierung von Drahtwiderständen, insbesondere von Drahtwiderständen zur Erfassung der Temperatur. Da Abgleichwiderstände vollständig entfallen, ist der Drahtwiderstand nach der Erfindung einsatz- und auch montagegerecht konstruierbar. Zudem kann der Drahtwiderstand kostengünstig gefertigt werden.

Claims (8)

1. Drahtwiderstand, dessen elektrischer Widerstand bei einer ersten vorbestimmten Temperatur (T1) einen ersten Sollwert (Rsoll,T1) und bei einer zweiten vorbestimmten Temperatur (T2) einen zweiten Sollwert (Rsoll,T2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß der Drahtwiderstand zwei zusammengeschaltete Wickel (2; 3) mit verschiedenen Temperaturkoeffizienten aufweist und daß der elektrische Widerstand des Drahtwiderstandes durch die Widerstandswerte der beiden Wickel (2; 3) bestimmt ist.
2. Drahtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wickel (2; 3) in Reihe geschaltet sind.
3. Drahtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Wickel (2; 3) parallel geschaltet sind.
4. Drahtwiderstand nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperaturkoeffizient des zweiten Wickels (3) vernachlässigbar ist.
5. Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wickel (2) aus einem Nickeldraht und ein zweiter Wickel (3) aus einem Chrom-Nickel-Draht ist.
6. Drahtwiderstand nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Wickel (2) aus einem Nickeldraht und ein zweiter Wickel (3) aus einem Kupfer-Nickel-Draht ist.
7. Verfahren zur Herstellung von Drahtwiderständen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtlänge (lw1,i+1) des ersten Wickels (2) eines neu zu wickelnden (i+1)-ten Drahtwiderstandes unter Verwendung der gemessenen Drahtlänge (lw1,i) und gemessener Widerstandswerte des zuvor gewickelten Drahtwiderstandes berechnet werden und daß die Drahtlänge (Llw2,i+1) des zweiten Wickels (3) des neu zu wickelnden (i+1)-ten Drahtwiderstandes unter Verwendung der beiden gemessenen Drahtlängen (lw1,i bzw. lw2,i) der beiden Wickel (2; 3) sowie gemessener Widerstandswerte des zuvor gewickelten i-ten Drahtwiderstandes berechnet werden.
8. Verfahren zur Herstellung von abgeglichenen Drahtwiderständen, deren elektrischer Widerstand bei einer ersten vorbestimmten Temperatur (T1) einen ersten Sollwert (Rsoll,T1) und bei einer zweiten vorbestimmten Temperatur (T2) einen zweiten Sollwert (Rsoll,T2) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
[a] daß zwei verschiedene Materialien ausgewählt werden, die als Widerstandsdraht wickelbar sind und die verschiedene Temperaturkoeffizienten aufweisen,
[b] daß für einen neu herzustellenden Drahtwiderstand die erforderliche Drahtlänge für einen ersten Wickel (2) anhand von Meßgrößen eines vorgängig gewickelten gleichen Drahtwiderstandes berechnet wird,
[c] daß der erste Wickel (2) aus einem ersten der zwei verschiedenen Materialien gewickelt und dabei die Drahtlänge genau erfaßt wird,
[d] daß für den neu herzustellenden Drahtwiderstand die erforderliche Drahtlänge für einen zweiten Wickel (3) anhand von Meßgrößen des vorgangig gewickelten Drahtwiderstandes und aus Meßgrößen des ersten Wickels (2) des neu herzustellenden Drahtwiderstandes berechnet wird,
[e] daß der zweite Wickel (3) aus dem zweiten Material gewickelt und dabei die Drahtlänge genau erfaßt wird und
[f] daß mindestens je ein Ende des ersten Wickels (2) mit mindestens einem Ende des zweiten Wickels (3) derart galvanisch verbunden wird, daß die beiden verbundenen Wickel (2; 3) den fertig abgeglichenen Drahtwiderstand bilden.
DE4337676A 1993-02-16 1993-11-04 Abgeglichener Drahtwiderstand zur Erfassung der Temperatur und Verfahren zur Herstellung von abgeglichenen Drahtwiderständen Ceased DE4337676A1 (de)

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