DE1187827B - Einrichtung zum Messen von Temperaturen - Google Patents

Description

• Einrichtung zum Messen von Temperaturen Es sind Temperaturmeßeinrichtungen bekannt, deren Meßwerk im wesentlichen aus einem der zu messenden Temperatur ausgesetzten Bimetall besteht, dessen Lageänderung zum Anzeigen der Temperatur benutzt wird. Derartige Bimetallstreifen sind im allgemeinen aus Gründen des geringen Platzbedarfs spiralförmig ausgebildet. Die Umwandlung der Bimetallstellung in elektrische Meßwerte, wie sie z. B. bei Regelungen oder Fernsteuerungen erforderlich sind, ist jedoch mit Schwierigkeiten verbunden, da die Stellung des Bimetalls zur Vermeidung einer Verfälschung der Meßergebnisse möglichst ohne mechanische Reibung, also kontaktlos, abgefühlt werden soll. Außerdem ist seine Empfindlichkeit wegen der kleinen Unterschiede der Ausdehnungskoeffizienten der Einzelmetalle und der dadurch bedingten kleinen Ausbiegungen gering. In vielen Fällen soll die Anzeige zudem nicht analog, sondern analog quantisiert cder digital erfolgen, was für die Umwandlung der mechanisch vorliegenden Meßwerte in elektrische Größen zusätzliche Erschwernisse bringt.
• Kontaktlose Abfühlsysteme, die die relative Lage eines Körpers bestimmen, können z. B. auf induktiver Grundlage aufgebaut sein. Der abzufühlende Körper kann ferner bei Lageänderungen einen Scnwingkreis verstimmen. Derartige Anzeigesysteme arbeiten zwar genau, erfordern dafür jedoch einen hohen Aufwand. Außerdem erlauben sie keine digitale Anzeige ohne besonderen Umsetzer.
• Es ist ferner bekannt, die Stellung von Zeigern, z. B. Instrumentenzeigern, fotoelektrisch abzufühlen.
• Doch wird hierbei im allgemeinen die Stellung des Zeigers nur bezüglich eines bestimmten Wertes überwacht.
• Schließlich sind sogenannte Bimetallschalter bekannt, die bei Erreichen einer bestimmten Temperatur einen Kontakt schließen. Derartige Bimetallschalter werden hauptsächlich bei Zweipunktregelungen verwendet. Die Anderung des Sollwertes muß jedoch im allgemeinen mechanisch vorgenommen werden.
• Analog quantisierte Anzeigen sind möglich, jedoch konstruktiv aufwendig.
• Die Erfindung bezweckt eine Meßeinrichtung, die eine Anzeige sowohl in analoger als auch in analog quantisierter sowie in digitaler Form bei hoher Empfindlichkeit ermöglicht.
• Erfindungsgemäß erreicht man dies dadurch, daß mindestens zwei der Meßtemperatur ausgesetzte, nach Art eines Bimetalls verbundene elastische Körper verschiedener Ausdehnungskoeffizienten vorgesehen sind, von denen mindestens ein aus lichtdurchlässigem Material bestehender Körper von einer oder mehreren Lichtquellen ausgesandtes Licht zu einem oder mehreren lichtempfindlichen Elementen leitet, wobei die Größe oder Verteilung auf einzelne lichtleitende Kanäle des Lichtstromes ein Maß für die Temperatur ist.
• Als nach Art eines Bimetalls verbundener elastischer Körper ist die Kombination von Stahl mit einem durchsichtigen Kunstharz vorteilhaft, da die Ausdehnungskoeffizienten beider Substanzen sich voneinander stark unterscheiden und das durchsichtige Kunstharz zur Lichtleitung besonders geeignet ist. Ferner sind beide Materialien genügend elastisch, um auch größere Ausbiegungen ohne dauernde Verformung auszuhalten. Bi-Elemente mit durchsichtigen Schichten sind bekannt. Sie werden jedoch nicht als Lichtleiter verwendet. Der Grenzwinkel der Totalreflexion des Kunstharzes muß im vorliegenden Falle größer sein als sein maximaler Biegewinkel. Außerdem muß der Brechungsexponent größer sein als der des umgebenden Mediums, z. B. der Luft. Stahl und Kunstharz werden vorteilhaft durch eine Klebemasse fest miteinander verbunden.
• Zur analogen Temperaturanzeige wird die Kombination der elastischen Körper mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zweckmäßig als Streifen oder Draht ausgebildet, der somit mindestens einen lichtleitenden Kanal enthält. Das Ende des Drahtes kann sich bei Temperaturänderungen an einer von einer Lichtquelle beleuchteten und sich verbreiternden Blende entlangbewegen, während das andere Ende fest vor einem lichtempfindlichen Element angeordnet ist. Als lichtempfindliche Elemente empfehlen sich wegen ihrer Kleinheit lichtelektrische Halbleiter, z. B. Fotodioden oder Fototransistoren.
• Es können jedoch auch Fotowiderstände oder Fotoelemente Verwendung finden.
• Zur analogquantisierten Temperaturanzeige kann sich das freie Ende des Streifens oder Drahtes aus den verschiedene Ausdehnungskoeffizienten aufweisenden Werkstoffen an einer Reihe von einzelnen, vorzugsweise punktförmigen Lichtquellen unterschiedlicher Lichtstärke entlangbewegen. Die Lichtstärken der Lichtquellen können so abgestuft sein, daß sie sich jeweils um einen konstanten Betrag ändern.
• Zur digitalen Temperaturanzeige kann der Streifen oder Draht aus den kombinierten Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten mehrere lichtleitende Kanäle enthalten. Das freie Ende des Drahtes bewegt sich dabei bei Temperaturänderungen an einer von einer Lichtquelle beleuchteten, aus einem optischen Coderaster bestehenden Blende vorbei, das andere Ende ist fest vor jeweils einem lichtleitenden Kanal zugeordneten lichtempfindlichen Elementen angeordnet. Um bei geringen Ausbiegungen bereits merkliche Lageänderungen des freien Endes des Streifens oder Drahtes zu erreichen, sind diese spiralförmig ausgebildet.
• Die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist wegen der großen Unterschiede der Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Werkstoffe groß. Die Temperaturanzeige ist bei ein und demselben Gerät ohne zusätzlichen Aufwand mechanisch und elektrisch möglich, so daß die Anzeige unabhängig vom Meßort wird und sich daher gut für Regelaufgaben und Fernsteuerungen eignet. Der Platzbedarf ist besonders gering. Die Sollwerteinstellung kann durch Anderung der logischen Verlrnüp fungen der nachgeschalteten Elemente in einfacher Weise geändert werden.
• Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert; gleiche Elemente erhalten dabei jeweils gleiche Bezeichnungen. Es zeigt F i g. 1 eine Meßeinrichtung für analoge Anzeige, F i g. 1 a eine Blende der analog anzeigenden Meßeinrichtung, F i g. 2 eine Meßeinrichtung für analog quantisierte Anzeige, Fig. 3 eine Meßeinrichtung für digitale Anzeige, F i g. 3 a eine Blende der digital anzeigenden Meßeinrichtung.
• In Fig. 1 besteht der spiralförmig ausgebildete Streifen aus einem Stahlstreifenl, der durch eine Klebemasse 2 mit einem lichtdurchlässigen Kunstharzstreifen 3 verbunden ist. Um Lichtverluste zu vermeiden, soll der Grenzwinkel der Totalreflexion größer sein als der maximale Biegewinkel des lichtdurchlässigen Materials, dessen Brechungsexponent größer als Luft sein muß. Im Zentrum der Spirale ist ein lichtelektrisches Element, z. B. eine Fotodiode 4, angeordnet, der das Ende 5 der Spirale 6 gegenübersteht. Der Fotodiode ist ein Meßverstärker 6 nachgeschaltet. Das andere Ende 7 der Spirale ist beweglich und kann vor der Blende 8a, die von der Lichtquelle 9 gleichmäßig beleuchtet wird, mit konstantem Abstand vorbeilaufen.
• Wird die Meßspirale Temperaturänderungen ausgesetzt, so bewegt sie sich vor der Blende. Dadurch erhalten der lichtleitende Streifen und damit die Fotodiode 4 mehr oder weniger Licht. Die Ausgangsspannung der Fotodiode 4 bzw. des Verstärkers 6 ist ein Maß für die zu messende Temperatur.
• Die Form der Blende 8a ist in Fig. 1a noch einmal deutlicher dargestellt. In dem Beispiel hat sie eine keilförmige Form. Sie kann jedoch auch eine andere Form haben, die z. B. die Nichtlinearitäten der Fotodioden oder des Verstärkers ausgleicht.
• Ebenso kann eine beliebige Funktion der Verstärkerausgangsspannung in Abhängigkeit von der Temperatur erreicht werden. Selbstverständlich kann das bewegliche Ende 7 der Spirale den Meßwert direkt an einer Skala anzeigen.
• Anstatt einer sich verbreiternden Blende kann auch eine optisch dazu gleichwertige Blende konstanter Breite vorgesehen werden, deren Lichtdurchlässigkeit z. B. durch den Vorsatz eines das Licht der Lichtquelle 9 ungleich absorbierenden Filters ansteigt.
• In F i g. 2 ist eine analog quantisierte Meßeinrichtung nach der Erfindung dargestellt, die die Lichtquellen 9 a bis 9g enthält, deren Lichtstärke nach ihrer Reihenfolge so ansteigen kann, daß die Zunahme z.B. stets ein ganzzahliges Vielfaches der Lichtquelle 9 a ist. Auch bei der Meßeinrichtung der Fig. 2 kann die Anzeige direkt über eine Skala in analoge Form erfolgen.
• Eine analog quantisierte Anzeige ist auch mit einer Blende nach F i g. 1 erreichbar, deren Breite sich nicht keilförmig, sondern in jeweils konstanten Abschnitten ändert.
• Eine digital-binäre Meßeinrichtung ist in Fig. 3 dargestellt, die sich von der der F i g. 1 nur dadurch unterscheidet, daß die Blende 86 aus einem digital binären optischen Coderaster, das in F i g. 3 b besonders dargestellt ist, und der lichtleitende Streifen 3 aus vier optisch voneinander getrennten Einzelkanälen besteht, denen jeweils eine Foto diode zugeordnet ist. Coderaster, durch die das Licht einer Lichtquelle auf eine Anzahl von Lichtempfangselementen fällt, sind zum Zwecke der digital-binären Anzeige bekannt.
• Die Lichtquellen können bei allen Beispielen natürlich mit den Fotodiode vertauscht werden, ohne daß sich an der Wirkungsweise etwas ändert.

Claims (6)

1. Patentansprüche: 1. Einrichtung zum Messen von Temperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei der Meßtemperatur ausgesetzte, nach Art eines Bimetalls verbundene elastische Körper (1, 3) verschiedener Ausdehnungskoeffizienten vorgesehen sind, von denen mindestens ein aus lichtdurchlässigem Material bestehender Körper (3) von einer oder mehreren Lichtquellen (9) ausgesandtes Licht zu einem oder mehreren lichtempfindlichen Elementen (4) leitet, wobei die Größe oder Verteilung auf einzelne lichtleitende Kanäle des Lichtstromes ein Maß für die Temperatur ist.
2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als nach Art eines Bimetalls verbundene elastische Körper eine Kombination von Stahl (1) und einem mit ihm durch eine Klebemasse (2) verbundenen, einen größeren Grenzwinkel der Totalreflexion als der maximale Biegewinkel aufweisenden Kunstharz mit einem von Stahl abweichenden Ausdehnungskoeffizienten vorgesehen ist.
3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur analogen Temperaturanzeige die Kobination der elastischen Körper mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten als ein Streifen oder Draht mit einem lichtleitenden Kanal (3) ausgebildet ist, dessen Ende (7) sich bei Temperaturänderungen an einer von einer Lichtquelle (9) beleuchteten sich verbreiternden Blende(8a) entlangbewegt, während das andere Ende (5) fest vor einem lichtempfindlichen Element (4) angeordnet ist.
4. 4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur analog quantisierten Temperaturanzeige die Kombination der elastischen Körper mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten als ein Streifen oder Draht mit einem lichtleitenden Kanal ausgebildet ist, dessen Ende (7) sich bei Temperaturänderungen an einer Reihe von einzelnen vorzugsweise punktförmigen Lichtquellen (9a bis 9g) unterschiedlicher Lichtstärke entlangbewegt, während das andere Ende (5) fest vor einem lichtempfindlichen Element (4) angeordnet ist.
5. 5. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur digitalen Temperaturanzeige die Kombination der elastischen Körper mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten als Streifen oder Draht mit mehreren lichtleitenden Kanälen (3) ausgebildet ist, dessen Ende (7) sich bei Temperaturänderungen einerseits an einer von einer Lichtquelle (9) beleuchteten, aus einem optischen Coderaster(8b) bestehenden Blende vorbeibewegt, andererseits fest vor jeweils einem lichtleitenden Kanal zugeordneten lichtempfindlichen Elementen (4) angeordnet ist.
6. 6. Einrichtung nach Anspruch 3 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der Streifen oder Draht aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten als Spirale ausgebildet ist. ~~~~~~~~~ In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Auslegeschriften Nr. 1019 481, 1099299; »Proceedings of the I. R. E.«, 1953, H. 10, S. 1459, Fig. 8.