DE19923014A1 - Flexibler Oberflächentemperaturfühler - Google Patents
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Abstract
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturfühler der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem die Oberflächentemperatur möglichst großflächig und mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann, der kostengünsig herstellbar und universell einsetzbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß als Temperatursensoren (1) mehrere diskrete Meßwiderstände angeordnet sind, die auf der flexiblen Unterlage befestigt und in Form von Reihen- und/oder Parallelschaltungen über Leiterbahnen elektrisch miteinander verbunden sind. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Oberflächentemperaturfühler, bei dem auf einer flexiblen Unterlage ein metallischer Leiter als Temperatursensor angebracht ist und der mit einer Anschlußleitung versehen ist.
Description
Die Erfindung betrifft einen Oberflächentemperaturfühler, bei dem auf einer
flexiblen Unterlage ein metallischer Leiter als Temperatursensor angebracht
ist und der mit einer Anschlußleitung versehen ist.
Die berührende Messung der Oberflächentemperatur von festen Körpern, die
an gasförmige Medien, z. B. an Luft angrenzen, ist besonders schwierig, weil
der feste Körper über seine Oberflächen einen ständigen Wärmeaustausch
mit seiner Umgebung vollzieht und zwar um so intensiver je größer die
Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Körpertempera
tur ist und weil die Oberfläche des festen Körpers, insbesondere der Teil an
der die Oberflächenmessung vollzogen wird - die Meßfläche - durch seine
geometrische Charakteristik bestimmte Anforderungen an die meßempfindli
che Fläche des Berührungsthermometers stellt und damit alle Oberflächen
faktoren den Meßfehler beeinflussen.
Maßgebend für die Größe des Meßfehlers ist in erster Linie die Wärmeleitfä
higkeit des zu messenden Körpers und unter bestimmten Bedingungen auch
seine Masse bzw. Wärmekapazität. Zur Verringerung des Meßfehlers ist
außerdem ein möglichst verlustloser Wärmeübergang vom zu messenden
Körper auf den Temperaturfühler erforderlich.
Temperaturfühler der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in
verschiedenen Ausführungen bekannt. Beispielsweise sind in DE 43 29 312
A1, DE 41 04 674 A 1 und in DE 42 43 261 A1 Temperaturfühler
beschrieben, die auf verschiedene Art und Weise mit der zu messenden
Oberfläche in Kontakt gebracht werden können. Dies erfolgt z. B. durch
Anlegen per Hand oder durch Befestigen mit speziellen Klebern, mit
Schraubverbindungen und dergleichen. Für die Temperatursensoren werden
vorzugsweise Platinmeßwiderstände und Thermistoren verwendet, die
häufig auch in Mehrfachanordnungen eingesetzt werden.
Im Stand der Technik sind ferner verschiedene flexible Oberflächentempera
turfühler mit Meßfühlern in Dünnschicht- und Drahttechnik bekannt. Für
Messungen mit hoher Genauigkeit werden zur Oberflächentemperaturmes
sung bevorzugt Folienthermometer mit Drahtmeßwiderständen verwendet.
Die Folienthermometer zeichnen sich infolge ihres flachen Aufbaus durch
eine geringe Wärmekapazität und infolge ihrer Flexibilität durch einen guten
Wärmeübergang von der zu messenden Oberfläche zum Thermometer aus.
Sie ermöglichen durch Aufkleben an der zu messenden Oberfläche eine
einfache Befestigung.
Bei Folienmeßwiderständen ist jedoch nachteilig, daß sie in Abhängigkeit
von der Dilatation der zu messenden Oberfläche einen dehnungsabhängigen
Fehler aufweisen. Je größer die Anlagefläche des Folienmeßwiderstandes
ist, um so stärker wirken sich die Dilatationen des festen Körpers aus. Die
Vergrößerung der Berührungsfläche wirkt damit der angestrebten Verringe
rung des Meßfehlers durch den günstigen Wärmeübergang des großflächi
gen Folienmeßwiderstandes entgegen.
Unabhängig vom konstruktiven Aufbau des Oberflächentemperatursensors
und unabhängig von der Art der Befestigung verbleibt ein Restfehler, der
gemäß VDI/VDE 3511 Blatt 5, z. B. bei dünnen Thermodrahtpaaren mit
einem Durchmesser von 0,1 mm, etwa 1% und bei Thermodrähten mit lmm
Durchmesser immerhin 3% des Temperaturunterschiedes zwischen Oberflä
chen- und Umgebungstemperaturen betragen kann.
Die im Stand der Technik bekannten Folienmeßwiderstände sind insbesond
ere dadurch nachteilbehaftet, daß die Herstellung der Fühler kostenintensiv
und aufwendig ist, die Fühler entweder dehnungsabhängig sind oder nur eine
geringe Meßoberfläche aufweisen. Die Fühler weisen deshalb einen anbau-
und umgebungsbedingten Restfehler auf, der bei bestimmten Umgebung
stemperaturen weit über die Normaltoleranz des Elementes hinausgeht.
Ferner ist nachteilig, daß die Kalibrierung kostenintensiv ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturfühler der
eingangs genannten Art anzugeben, mit dem die Oberflächentemperatur
möglichst großflächig und mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann, der
kostengünstig herstellbar und universell einsetzbar ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen
von Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäßen flexiblen Oberflächentemperaturfühler sind vorzugs
weise einsetzbar für allgemeine Oberflächentemperaturmessungen an
gewölbten Oberflächen, für Messungen an Rohrleitungen, bei Oberflächen
temperaturfühlern mit einer Vielzahl von diskreten SMD-Bauelementen,
insbesondere zur Oberflächenüberwachung an Containern und großen
Siloflächen sowie zur Mittelwertbildung in flexiblen Rohrleitungen oder
Schläuchen, z. B. auch in Silomeßpendeln. Die flexiblen rechteckigen Tempe
raturfühler können vorteilhaft auch in Nutenfühlern eingegossen werden.
Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch den Vorteil aus, daß
sie weitgehend unabhängig von Dehnungseffekten ist, welche sich durch die
Ankopplung des Oberflächentemperaturfühlers auf einen festen Körper
ergeben, der sich in Folge von Wärmeeinflüssen ausdehnt oder zusammen
zieht. Darüber hinaus ermöglicht sie es, den Temperatureinfluß großflächig
zu erfassen und damit den Wärmeübergang verlustarm zu gestalten. Der
erfindungsgemäße Temperaturfühler ist mindestens in eine, gegebenenfalls
auch in zwei Richtung biegsam.
Ferner ist es möglich, den Temperaturfühler für bestimmte Applikationen
abgleichbar zu gestalten, so daß der anbau- und umgebungstemperaturbe
dingte Einfluß minimiert werden kann.
Vorteilhaft ist insbesondere, daß äußerst kleine diskrete Sensoren verwendet
werden, die infolge ihrer kompakten Bauweise weitgehend unabhängig von
Dehnungen sind. Ein günstiger Wärmeübergang auf die diskreten Sensoren
wird durch entsprechend große Lötpads für die Sensoren erzielt, die
mindestens fünfmal so groß sind wie die Fläche des Sensors, wobei der
Übergang von den Lötpads zum Sensor über großflächige Polkappen
erfolgt. Die Verschaltung der diskreten Sensoren erfolgt untereinander so,
daß sich für den Gesamtwiderstand die üblichen Widerstandswerte, vorzugs
weise 100 Ohm, 500 Ohm oder 1000 Ohm ergeben. Dies kann in einfacher
Weise mit handelsüblichen Meßwiderständen durch entsprechende Reihen-
und/oder Parallelschaltungen erzielt werden. Die Gestaltung der Leiterzüge
zwischen den diskreten Sensoren ist auf unterschiedliche Weise erzielbar, so
daß bei großflächigen Ausführungen der flexiblen Unterlage seitliche
Einschnitte in die Folie eingebracht werden können. Damit ist die Gesamtfo
lie an bestimme gewölbte Oberflächen gut anschmiegsam. Von Vorteil sind
auch aufgebrachte Abgleichmatrizen, mit denen der Oberflächenmeßwider
stand bezogen auf einen bestimmten Applikationsfall auch unter Berücksich
tigung der Zuleitung im nachhinein abgeglichen werden kann.
Der Abgleich erfolgt in der Weise, daß der Widerstandsgrundwert (vorzugs
weise der Nennwert bei 0°C, der sogenannte R0-Wert) einer Solltemperatur
bei den jeweiligen konkreten Anbau- und Umgebungsbedingungen, zugeord
net wird. Durch die Reihen- und Parallelschaltungsanordnung der Sensoren
kann bei der Verwendung von Sensoren mit erhöhtem Temperaturkoeffizi
enten auch der gesamte Temperaturkoeffizient beeinflußt werden und in auf
einen gewünschten Wert gebracht werden.
Da der Meßfehler der Oberflächentemperaturmessung durch die obenge
nannte Vielzahl der Einflüsse nicht genau vorherbestimmt werden kann, wird
erst durch den applikationsnahen Abgleich, den die erfindungsgemäße
Anordnung ermöglicht, eine präzise Oberflächentemperaturmessungen
erreicht.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher
erläutert. In der zugehörigen Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 einen flexiblen Oberflächentemperaturfühler mit Leiter
struktur und 4facher SMD-Bestückung in Schmetterlingsform,
Fig. 2 die Anordnung des mittigen Kabelabgangs eines Oberflä
chenfühlers in Schmetterlingsform,
Fig. 3 einen auf einem Band angeordneten flexiblen Mittelwertfüh
ler mit n Elementen,
Fig. 4 einen flexiblen Fühler mit 100 Ohm Gesamtwiderstand, der
aus zehn 1000-Ohm-Elementen gebildet wird,
Fig. 5 einen flexiblen Stufenfühler mit n Sensorelementen und
einem gemeinsamen Rückleiter,
Fig. 6 ein Nutenwiderstandsthermometer mit flexibler Sensor
anordnung und Abgleichmatrix,
Fig. 7 bekannte Ausführungsformen von Folientemperaturfühlern
mit Drahtwiderständen als Sensoren
und
Fig. 8 einen flexiblen Rohrbandfühler mit vier diskreten SMD-Ele
menten und einer Abgleichmatrix.
In Fig. 1 ist ein flexibler Oberflächentemperaturfühler dargestellt, der eine
quadratische Form aufweist. Auf der schmetterlingsförmig ausgebildeten
Folie sind vier Sensoren 1 symmetrisch angeordnet. Als Sensoren 1 sind hier
SMD-Pt-100-Elemente aufgebracht, die durch eine Kombination von
Reihen- und Parallelwiderständen ein Gesamtwiderstandswert von 100 Ohm
ergeben. In die Schaltungsanordnung sind zwei Abgleichmatrizen 3 einge
bunden, mit denen der R0-Wert sowohl erhöht als auch verringert werden
kann. Die Abgleichmatrizen 3 weisen zur Veränderung ihres elektrischen
Widerstandes Bypässe und Kurzschlußstrecken auf, die durchtrennbar bzw.
mit Lot überbrückbar sind. Mit den beiden Abgleichmatrizen 3 können auch
Fehler ausgeglichen werden, die durch Sensoren 1 mit erweiterten Toleranz
grenzen oder durch Toleranzen der Leitungswiderstände der Kabelan
schlüsse sowie durch den statisch thermischen Anbaufehler entstehen. Auf
diese Weis gelingt es, einen genauen Temperaturfühler besonders preisgün
stig herzustellen. Um ein anschmiegsames Anlegen der Folie an den zu
messenden Körper zu erzielen, ist der Oberflächentemperaturfühler an den
Seiten mit vier Schlitzen 2 versehen. Die Anschlußstelle 4 für das Kabel 5
befindet sich in der Mitte des Fühlers.
Die Anordnung des Kabels 5 am Oberflächentemperaturfühler ist aus Fig. 2
ersichtlich. Die schmetterlingförmige Gestaltung des flexiblen Oberflächen
fühlers ermöglicht den mittigen Kabelabgangs, wodurch ein nahezu symetri
sches Temperaturfeld entsteht.
Fig. 3 erläutert einen Oberflächentemperaturfühler, der rechteckförmig
ausgebildet ist und als Meßband ausgeführt ist. Die Anschlußstellen 4 für die
Anschlußkabel sind symmetrisch zur Mittelachse des Bandes angeordnet.
Die hier nicht dargestellten Anschlußkabel verlaufen in Richtung der
Flächennormale auf die Oberfläche des Oberflächentemperaturfühlers. Auf
der flexiblen Folie 6 sind vier SMD-Pt-100-Widerstände aufgelötet, deren
Reihen-Parallelschaltungs-Widerstand einen Wert von 100 Ohm ergibt. Die
hintereinander angeordnete Lage der Sensoren 1 und die Anordnung des
Anschlußkabels 5 auf der Oberseite des Temperaturfühlers ermöglicht den
Einsatz des Fühlers als Anlegemanschette für Rohrleitungen. Durch die
mehrfache Anordnung von n Sensoren 1 einen auf dem flexiblen Band 6
kann die Anordnung als mittelwertbildender Fühler mit n Elementen verwen
det werden. An den Verkettungsstellen 8 können die Einzelanordnungen der
Widerstandsgruppen miteinander verbunden werden.
Im allgemeinen sind die Reihen- und Parallelschaltungen so ausgelegt, daß
sich ein Gesamtwiderstand von 100 Ohm oder 1000 Ohm, gegebenenfalls
auch 500 Ohm, ergibt. Hierzu werden jeweils zwei parallel geschaltete
100-Ohm-Meßwiderstände hintereinander angeordnet. Die Schaltungsanord
nung kann mehrfach hintereinander geschaltet werden, so daß beispiels
weise bei 16 Widerständen durch mehrfache Kombination von Reihen- und
Parallelschaltungen wieder ein Gesamtwiderstand von 100 Ohm erreicht
wird. Auf diese Weise sind beliebig lange Meßwiderstände herstellbar. Ein
100-Ohm-Meßwiderstand ist auch durch die Addition dreier Parallelschal
tungen mit jeweils 100 Ohm in einem dreifachen Parallelzweig erreichbar.
Fig. 4 zeigt die Anordnung einer Vielzahl von Meßwiderständen 1 auf
einem Band, das in beliebiger Länge hergestellt werden kann. Mit dieser
Anordnung können auf der flexiblen Folie 6 besonders lange Temperaturfüh
ler hergestellt werden. Dabei ist vorteilhaft, daß mit der Erhöhung der
Anzahl der diskreten Elemente in Folge der sich einstellenden Mittelwertbil
dung eine Erhöhung der Meßgenauigkeit erreicht wird.
In Fig. 5 ist eine Ausführung in Form eines flexiblen Stufenfühlers mit n
Sensorelementen 1 dargestellt, die mit einem gemeinsamen Rückleiter 7
elektrisch verbunden sind.
Fig. 6 erläutert ein Beispiel für die Anwendung in einem Nutenwider
standsthermometer mit flexibler Anordnung der Sensoren 1 und
Abgleichmatrix 3. Die Sensoren 1 und die Abgleichmatrix 3 sind in einem
Grundkörper 9 mit U-profil auf der flexiblen Folie 6 angeordnet. die Anord
nung wird mit der Deckplatte 10 verschlossen. Das Anschlußkabel 5 wird
seitlich aus dem Thermometer herausgeführt.
Fig. 7 zeigt vergleichsweise Fig. 7 bekannte Ausführungsformen von
Folienfühlern mit Drahtwiderständen als Sensoren.
In Fig. 8 ist ein flexibler Rohrbandfühler in zwei Ansichten dargestellt.
Hierbei sind vier Sensoren 1 in Form von diskreten SMD-Elementen und die
Abgleichmatrix 3 auf der flexiblen Folie 6 angeordnet. Die Anordnung kann
um ein Rohr gelegt und mit Bohrungen, die in der flexiblen Folie 6
angebracht sind, befestigt werden. Das Anschlußkabel wird an den
Anschlußstellen 4 angelötet und nach außen geführt.
1
Sensor (
1.1
. . .
1
. n)
2
Schlitz
3
Abgleichmatrix
4
Anschlußstelle für Kabel
5
Kabel
6
flexible Folie
7
gemeinsamer Rückleiter
8
Verkettungsstelle
9
Grundkörper
10
Deckplatte
11
Wicklung
12
Anschlußdrähte
Claims (6)
1. Oberflächentemperaturfühler, bei dem auf einer flexiblen Unterlage ein
elektrischer Leiter als Temperatursensor (1) angebracht ist, welcher mit
einem Anschlußkabel (5) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeich
net, daß als Temperatursensoren (1) mehrere diskrete Meßwiderstände
angeordnet sind, die auf der flexiblen Unterlage befestigt und in Form vom
Reihen- und/oder Parallelschaltungen über Leiterbahnen elektrisch miteinan
der verbunden sind.
2. Oberflächentemperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß als Meßwiderstände dünn beschichtete Keramikmeßwiderstände,
die mit leitenden Polkappen versehen sind, angeordnet sind.
3. Oberflächentemperaturmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß auf der flexiblen Unterlage eine elektrische Leiter
struktur angebracht ist, auf der die Meßwiderstände aufgelötet sind.
4. Oberflächentemperaturmeßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß an der elektrischen Leiterstruktur Anschlußstellen (4)
angebracht sind, an denen die Polkappen der Meßwiderstände aufgelötet
sind, wobei die Fläche der Anschlußstellen (4) mindestens dem Fünffachen
der Fläche des Meßwiderstandes entspricht.
5. Oberflächentemperaturmeßfühler nach mindestens einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leiterstruktur
mindestens eine Abgleichmatrix (3) angeordnet ist.
6. Oberflächentemperaturmeßfühler nach mindestens einem der vorherge
henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichmatrix (3)
Bypässe und Kurzschlußstrecken aufweist, die durchtrennbar bzw. mit Lot
überbrückbar sind.
Priority Applications (1)
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