DE2530897C3 - Vorrichtung zur Messung und Überwachung der mittleren Temperatur eines bestimmten Bereichs - Google Patents
Vorrichtung zur Messung und Überwachung der mittleren Temperatur eines bestimmten BereichsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung und Überwachung der mittleren Temperatur eines is
bestimmten Bereichs, mit zwei gemeinsam ein Thermoelement bildenden Metalleitern, zwischen denen
jeweils einer festgelegten Stelle oder einer bestimmten Einheit des zu überwachenden Bereichs zugeordnete
elektrische Widerstände angeschlossen sind, sowie mil einem an einem Ende der Metalleiter angeschlossenen
Spannungsmeßgerät zur Messung der über diesen Leiterenden auftretenden Spannung.
Wird die Durchschnittstemperatur eines vorgegebenen Bereiches gemessen, beispielsweise wo die mittlere
Temperatur der Atmosphäre bestimmt wird, um die Wärmedurchgangszahl eines Baustoffes zu bestimmen,
um seine physikalischen Eigenschaften auszuwerten, dann ist es übliche Praxis, Temperaturen an vielen
Stellen in diesem Bereich zu messen und die gemessenen Werte zu mitteln, um eine mittlere oder
Durchschnittstemperatur zu erhalten. Anomaler örtlicher Temperaturanstieg oder Temperaturabfall in
einem Bereich, der beispielsweise von dem Auttreten eines Feuers, einer Leckstelle für geschmolzenes Metall
aus einem elektrischen Ofen, einem Riß oder Korrosionsschaden des inneren Werkstoffes eines Reaktors
oder Austreten von Gas aus einem LNG-Behälier herrühren kann, wird in ähnlicher Weise festgestellt
durch Messen der Temperaturen an vielen Stellen ho innerhalb des Bereiches und durch Vergleichen der
gemessenen Werte.
Gegenwärtig wird die Temperaturmessung an einer Vielzahl von beispielsweise η-Stellen durchgeführt,
indem man eine Anzahl von η Meßelementen wie h>
beispielsweise Thermoelementen, Thermistoren, elektrische Widerstandsthermometer oder Quecksilberthermometer
an diesen Stellen anordnet.
Wird ein Thermoelement, ein Thermistor oder ein elektrisches Widerstandsthermometer als Temperaturmeßelement
verwendet, muß üblicherweise eine Gesamtzahl von 2 η Kabeln für die an π Stellen
angeordneten Temperaturmeßelemente vorgesehen werden. In dem Maße, in dem die Anzahl der Meßstellen
größer wird, überkreuzen die Kabel einander in verwickelter Weise, wodurch Schwierigkeiten bei der
Herstellung der Verbindung oder Fehler bei der Auswahl der Verbindung entstehen. Ferner müssen
üblicherweise η Meßgeräte oder ein Serien-Wechselschalter vorgesehen werden, um die gemessenen
Temperaturwerte zu ermitteln, wodurch beträchtliche Unbequemlichkeiten bei der praktischen Anwendung
entstehen. Insbesondere die Anwendung eines temperaturempfindlichen
Widerstandes als Temperaturmeßelement ist mit dem Nachteil verbunden, daß eine äußere
konstante Spannungsquelle vorgesehen sein muß. Wird ein Quecksilberthermometer verwendet, so muß eine
Person zur Bedienung bzw. zum Ablesen des Thermometers Zugang zu jeder Meßstelle haben, um deren
gemessenen Temperaturwert zu ermitteln. Insbesondere wenn die Person die Temperatur in der freien Luft zu
messen hat, bewirkt ihr Zutritt zu einer vorgegebenen Stelle eine merkliche Beeinflussung der Temperatur
dieser Stelle, so daß eine genaue Messung nicht möglich ist.
Ein kürzlich verbessertes Thermoelement besteht aus einem Vielfachkabel, in welchem einer der ein
Thermoelement bildenden Metalleiter als gemeinsamer Leiter verwendet wird. Selbst diese Verbesserung bringt
jedoch nur die Wirkung, daß die Anzahl der Metalleiter bzw. Metalldrähte von 2 π auf n+1 verringert wird, was
wenig zur Lösung der oben umrissenen Probleme beiträgt.
Ferner werden bei Messungen der Oberflächentemperatur
eines Gegenstandes ein abtastendes Infrarotthermometer oder eine Infrarotkamera verwendet.
Solche Temperaturmeßgeräte sind jedoch teuer, erfordern eine beträchtliche Schulung der Bedienungsperson
und sind darüber hinaus mit dem Nachteil behaftet, daß die Bedienungsperson das Meßergebnis mit Hilfe des
unbewaffneten Auges auf dem Schirm beurteilt.
Aus der US-PS 30 53 091 ist eine Meßanordnung zur Ermittlung einer Mittelwerttemperatur bekannt, in der
eine Anzahl von Thermoelementen auf ein gemeinsames Meßgerät geschaltet ist. Die Meßanordnung
umfaßt zwei getrennte Leiter, die als Zuführungs- und Anschlußleiter für eine Mehrzahl von Thermoelementen
dienen. Die Thermoelemente sind bezüglich der Leiter alle parallel geschaltet und jedes Thermoelement
bildet einen Zweig des gesamten Meßsystems. Zur Erleichterung des Abgleichs der Meßanordnung ist zu
jedem Thermoelement ein Widerstand in Reihe geschaltet.
Aus der GB-PS 10 13 800 ist eine Meßvorrichtung bekannt, die aus einem auf Temperaturänderungen
ansprechenden Kabel besteht, in dem zwei gemeinsam ein Thermoelement bildende metallische Leiter verlaufen
und in das ein durch äußere Wärmeeinwirkung in seine Isolationseigenschaften veränderbares Isolationsmaterial eingebracht b{, durch das die beiden Leiter
elektrisch isoliert und a jf Abstand gehalten werden. Der spezifische Widerstand des Isolationsmaterials sinkt an
beliebigen Stellen entlang des Kabels ab, wenn sich die Temperatur des Isolationsmaterials bis zum oberen
Ende eines bestimmten Temperaturbereichs erwärmt. Übersteigt die Temperatur des Kabels an irgendeiner
Stelle den Grenzwert dieses Bereichs, so wird das Isolationsmaterial annähernd zu einem elektrischen
Leiter. Mit diesem Kabel iäßt sich also Feuer oder eine bestimmte lokale Überhitzung an irgendeinrm Punkt
entlang des Kabels feststellen.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, eine oben näher erläuterte Vorrichtung zur
Messung und Überwachung der mittleren Temperatur eines bestimmten Bereichs zu erstellen, mit der unter
Verwendung eines einzigen Thermoelements die Temperatur in dem bestimmten Bereich so gemessen
und überwacht werden kann, daß bestimmte Bereichselemente verschieden bewertet werden können.
Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der obengenannten Art dadurch gelöst, daß die Widerstände
(B]-Bn) wärmeunempfindlich sind und einen
Tempiraturkoeffizienten von weniger als 300 ppm/°C absolut aufweisen, daß der Wert des Innenwiderstands
fß^des Meßgeräts mindestens dreißigmal größer ist als
der Gesamtwiderstandswen der Widerstände und des Summenwiderstands der beiden Metalleiter (A\, Ai),
daß der Gesamtwiderstandswen mindestens dreißigmal größer ist als der Summenwiderstand der beiden
Metalleiter und daß zur Bestimmung einer bewerteten auf die Bereichselemente bezogenen mittleren Temperatur
das Widerstands rhältnis zwischen zwei beliebigen der Widerstände dem Reziproken des Verhältnisses
der Größen der diesen Widerständen jeweils zugeordneten Bereichselemente entspricht.
Die Bewertung von Bereichselementen hinsichtlich der Temperatur ist deshalb möglich, weil sich das
Widerstandsverhäitnis von zwei beliebigen, jeweils einem Bereichselement zugeordneten Widerständen,
die zwischen die beiden Metalldraht geschaltet sind,
dem Reziprokenverhältnis der diesen beiden Widerständen zugeordneten Bereichselemente entspricht.
Wird das Flächen- oder Massenverhältnis 1 : 1, so ergibt sich bei der Temperaturmessung eine der mittleren
Temperatur entsprechende Anzeige.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Schaltanordnung mit einem erfindungsgemäßen Temperaturmeßelement unter Darstellung
des Prinzips der Erfindung,
F i g. 2 eine der F i g. 1 entsprechende Schaltung,
Fig.3 eine weitere Veranschaulichung der Anordnung
des erfindungfgemäßen Temperaturmeßelements zur Messung der Temperaturen von Meßstellen mit
unterschiedlichen Bereichen,
Fig.4 ein Diagramm der Durchschnittstemperaturen, die von dem erfindungsgemäßen Temperaturmeßelement
tatsächlich gemessen wurden im Vergleich zu den theoretischen Werten für die Durchschnittst^mperaturen,
F i g. 5A und 5B eine Darstellung der Ergebnisse der qualitativen Bestimmung der Differenz zwischen der
elektromotorischen Kraft des erfindungsgemäßen Meßelements für anormale örtliche Temperaturen und der
elektromotorischen Kraft des erfindungsgemäßen Meßelements für eine mittlere Temperatur, unter Anwendung
unterschiedlicher Parameter.
F i g. 6 bzw. 7 anormale örtliche Temperaturzunahmen
und -abnahmen, die von dem erfindungsgemäßen Tcmperaturmeßelement tatsächlich ermittelt wurden.
zusammen mit deren theoretische Werte zeigenden Kurven,
F i g. 8A und 8B die verschiedenen Beziehungen
zwischen den Arten von elektrischen Leitungen, welche die beiden ein Thermoelement bildenden Drähte
verbinden und die in dem erfindungsgemäßen Temperaturmeßelement verwendeten elektrischen Widerstände,
sowie die Arten der beiden Metalldrähte,
Fig.9 eine Veranschaulichung des Prinzips mit dessen Hilfe die Wärmedurchgangszahl beispielsweise
eines Baustoffes bestimmt wird,
Fig. 10 zwei Anordnungen von Temperaturmeßvorrichtungen,
von denen jede das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement enthält, in der praktischen
Anwendung,
Fig. 11A bis HD die konstruktiven Teile eines
elektrischen Widerstandes, wie er im Zusammenhang mit dem in Fig. 10 dargestellten erfindungsgemäßen
Temperaturmeßelement verwendet wird,
Fig. 12 eine Variante des in Fig. 10 dargestellten erfindungsgeinäßen Temperaturmeßelementes,
Fig. 13 eine andere Ausführungsform, bei welcher das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement verwendet
wird,
Fig. 14A und 14B die Konstruktionselemente des elektrischen Widerstandes, wie er im Zusammenhang
mit dem Temperaturmeßelement der Fig. 13 verwendet wird,
Fig. 15 einen der Anordnung der F i g. 13 äquivalenten
Schaltkreis,
F i g. 16, 17 und 18 andere Varianten des in F i g. 13
dargestellten erfindungsgemäßen Temperaturmeßelementes,
Fig. 19 eine andere Ausführungsform, bei welcher das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement Anwendung
findet, und
F i g. 2OA und 2OB unterschiedliche Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Tempcraturmeßelementes
mit verteilten Widerständen.
Das Prinzip der Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1 bis 3 beschrieben. Es sei das Beispiel eines
Elementes genommen, welches, wie in Fig. 1 dargestellt, von einem Paar metallischer Leiter bzw. von
Metalldrähten A\, Ai gebildet wird,beispielsweise einem
Chromeldraht und einem Alumeldraht, welche zusammen ein Thermoelement bilden, und eine Anzahl η
elektrischer Widerstände Si bis Bn, die zwischen den
metallischen Leitern A\, A? parallelgeschaltet sind. Ein
Ende Ci eines der Metalldrähte A\, 4. und ein Ende C2
des anderen der Metalldrähte A\, A2 werden auf einer
bekannten Temperatur gehalten, beispielsweise mit Hilfe einer Vergleichs-Kaltlötstelle D auf 0°C. Diese
Enden C C? sind durch entsprechende Leitungen E\, £2
mit einem elektrischen Meßgerät Fverbunden.
Gemäß der obenerwähnten Schaltungsanordnung bilden diejenigen Abschnitte der Metalldrahtpaare A,
Aj, zwischen welchen die elektrischen Widerstände
angeordnet sind, und die Enden Ci, C? der Metalldraht
Ai, ^2, welche auf einer bekannten Temperatur gehalten
werden, eine Anzahl von π Thermoelementen G\ bis Gn.
Die Thermoelemente G\ bis Gn erzeugen elektromotorische
Kräfte entsprechend den Temperaturen T\ bis Tn in
den Bereichen, in welchen die elektrischen Widerstände B\ bis Bn angeordnet sind. Diese thermo-elektromotorischen
Kräfte werden auf das Meßgerät Faufgegeben.
Setzt man daher V, bis Vn zur Definition der
thermo-elektromotorischen Kräfte, welche von den Thermoelementen Ci bis Gn entsprechend den Temperaturen
T\ bis Tn erzeugt werden, setzt man η bis r„ 1 für
die Summen der elektrischen Widerstände des Leiterpaares .41, A>, welche zwischen den benachbarten
elektrischen Widerständen Si bis Bn auftreten, setzt man
r„ für eine Summe von Widerständen, die in dem Leiterpaar A\, Ai zwischen dem elektrischen Widerstand
Bn und dem obengenannten einen Ende C\ des
Leiters A\ und ebenso zwischen dem elektrischen > Widerstand Bn und dem obenerwähnten anderen Ende
C2 des Metalleiters /A2 auftreten, setzt man R\ bis R11 für
die Widerstandswerte der elektrischen Widerstände B1
bis Bn und setzt man Ω für die innere Impedanz des
Meßgerätes F für die elektromotorische Kraft, dann erhält man eine äquivalente Schaltung, wie in F i g. 2
dargestellt, in welcher eine Anzahl von η Scrienstromkreisen, bestehend aus η Gleichspannungsquellen V1 bis
Vn und Widerständen Ri bis Rn, und der Widerstand Ω
parallelgeschaltet sind mit den Widerständen η bis r„ ,,
die zwischen jeweils benachbarten parallelgeschalteten Serienstromkreisen angeordnet sind, wobei der Widerstand
r„ zwischen dem letzten Serienstromkreis und dem Widerstand Ω angeordnet ist.
Wenn die Schleifenströmc /Ί bis /„ mit den in I i g. 2
dargestellten Verlaufen angenommen werden, dann ergeben sich die folgenden Gleichungen:
1 + ('·„ -t "I i„
\ I / \ 2 / VnI '
Vn = (r„ + U)/, + (r„ + il)i2 + ■■■ + (r„ 4 i2)i„-, + (Rn + r„ + Ii
Dann kann die Spannung einer elektromotorischen Kraft, die auf dem Meßgerät Fangezeigt wird, durch die
folgende Gleichung ausgedrückt werden:
Das Verhältnis zwischen der Spannung V, die an dem Meßgerät Fangezeigt wird, und den thermoelektromotorischen
Kräften V, bis V„,die von den Thermoelementen
d bis Gn erzeugt werden, kann aus den obigen
Gleichungen (1) und (2) wie folgt bestimmt werden.
Zunächst wird die folgende Bedingung festgesetzt:
40 U »Σ
'Σ
'■»
■ · ■ Σ
(3>
um in einer einfachen Form das Verhältnis zwischen der Spannung V, die an dem Meßgerät Fangezeigt wird,
und den thermo-elektromotorischen Kräften V1 bis V,,,
die von den Thermoelementen G\ bis Gn erzeugt
werden, zu bestimmen. Wenn die vorerwähnte Gleichung (1) unter der obigen Bedingung umgeschrieben
wird, dann ergeben sich die folgenden Näherungsgleichungen:
K =
(
R2
Σ'.Νΐ + "-Σ'.
rn)in f ii
(4)
7 8
Dann kann das Verhältnis zwischen der obenerwähnten Spannung und den ihermo-elcktromotorischen
Kräften V, bis Vn aus den obigen Gleichungen (4) und (2) wie folgt bestimmt werden:
(I, I)
'■„ = Ί
- η IR1 +Vr,
= h
IM
(T11- I)(R11 + »·„) = /„
Aus diesen Gleichungen (5) und der früheren Gleichung (2) ergeben sich die folgenden Gleichungen
Aus diesen Gleichungen (5) und der früheren Gleichung (2) ergeben sich die folgenden Gleichungen
τ, - τ
R1 + ί 'η
R, + ν r„
ι/ [■ " I
+ R 4 I' Zj '»
+ γ.
(6)
Wenn in der obigen Gleichung (6) die Bedingung K1 +
V Ri
Σ r R"
voll erfüllt ist, und die folgenden Werte
R,
ϊ '■„ -
R„ 4 r„ = I ,,,
(7)
(8) Die obige Gleichung (9) zeigt, daß die Spannung V.
die an dem Meßgerät F angezeigt wird, einen mit (verschiedenen Gewichten a) errechneten Mittelwert
4s der thermo-elektromotorischen Kräfte V, bis V,h die
von den Thermoelementen G\ bis Gn erzeugt werden,
anzeigt, und ferner, daß das Gewicht (οι ... o„) in der
Gleichung (9) größer wird als die Summen der Widerstandswerte R\ bis /?„der elektrischen Widerstän-
so de B\ bis Bn. und daß die Widerstandswerte
1 r„ bis r„
die in den jeweiligen Abschnitten des Leiterpaares
Ai auftreten, ferner abnehmen.
Wenn in der Gleichung (9) die folgende Beziehung
(.0
in die Gleichung (6) eingesetzt werden, dann ergibt sich
die folgende Gleichung:
(10)
.j, I, t
(9)
verwirklicht wird, dann ergibt sich die folgende
Gleichung:
ι =
Die obige Gleichung (11) zeigt, daß die Spannung V,
die an dem Meßgerät F angezeigt wird, ein einfaches Mittel der thermo-elektromotorischen Kräfte V1 bis Vn
ist, die von den Thermoelementen G] bis Gn erzeugt
werden. Wenn in der Gleichung (8) die folgenden Bedingungen
R]
R-,
1 '·„
- '■„
Rn
(·„
(12)
voll erfüllt sind,
Beziehungen:
Beziehungen:
dann ergeben sich die folgenden
(13)
= 1 R„
Man sieht also, daß die Wirkung der in dem Leiterpaar A], Ai auftretenden Widerstände auf die
Spannung V, die auf dem Meßgerät F angezeigt wird, außer Betracht bleiben kann, was bei der praktischen
Anwendung einen großen Vorteil bietet.
Die wesentlichen Punkte der vorangehenden Beschreibung werden im folgenden zusammengefaßt. Zum
besseren Verständnis sei angenommen, daß die Widerstandswerte R\ bis Rn der elektrischen Widerstände
B] bis Bn sich nicht sehr stark mit der Temperatur
ändern, insbesondere, daß diese Widerstände B] bis Bn
nicht hitzeempfindlich sind. Dann zeigt bei der in F i g. 1 dargestellten Schaltung das elektrische Meßgerät Fdie
elektromotorischen Kräfte an, die den Temperaturen T1
bis Tn in den Bereichen, wo die elektrischen Widerstände
B\ bis Bn angeordnet sind, entsprechen. Mit anderen
Worten, man erhält zwischen den Enden Ci, Ci der
Leiter Λ ι, Ai eine thermo-elektromotorische Kraft
entsprechend der Durchschnittstemperatur eines das Leiterpaar A\, Ai umgebenden Bereiches. Werden die
elektrischen Widerstände B\ bis Bn so gewählt, daß sie
geeignete Widerstandswerte R\ bis An für die ausgewählten
Arten des Leiterpaares Au Ai haben, dann kann
eine zwischen den Enden Q, C2 des Leiterpaares Au Ai
erzeugte thermo-elektromotorische Kraft so groß gemacht werden, daß sie dem mit (verschiedenen)
Gewichten errechneten Mittelwert der Temperatur in einem die Leiter A], Ai umgebenden Bereich oder
einfach (arithmetisch) gemittelten Temperatur dieses Bereiches entspricht, und es kann weiter die Wirkung
der Widerstände des Leiterpaares A], A2 auf eine elektromotorische Kraft V die zwischen den Enden C>.
C2des Leiterpaares A], A2 auftritt, auf ein vernachlässigbares
Maß minimiert bzw. verkleinert werden.
Es sei nun unter Bezugnahme auf die Schaltung beispielsweise der Fig. 3, in welcher drei elektrische
Widerstände B], B2, Bi zwischen dem Leiterpaar A], A2
parallelgeschaltet sind und vorgegebene Widerstandswerte haben, angenommen, daß die Widerstandswerte
der elektrischen Widerstände Si, S2, Sj die folgenden
Werte haben:
Diese Werte (bei denen K eine Konstante ist), seien in die frühere Gleichung (9) eingesetzt. Dann kann eine
elektromotorische Kraft K die zwischen den Enden Ci, C2 des Leiterpaares A], A2 erhalten wird, nämlich eine an
dem Meßgerät F angezeigte elektromotorische Kraft, wie folgt ausgedrückt werden:
Γ =
3M1 +
IK +
AvI;
+ 2 K
~ 2 1
(15)
Daher können die Temperaturen Ti, T2. Tj der
Bereiche, in denen die elektrischen Widerstände Bu B2,
Bi angeordnet sind, mit Gewichten bzw. Wertvielfachen
im Verhältnis 3:1:2 ermittelt werden. Dies bedeutet, daß die Temperaturen Ti, T2, Tj die mittleren
Temperaturen der drei Bereiche Si, S2, Sj darstellen,
welche unterschiedliche Flächen von 3 m2, 1 m2, 2 m2
haben. Das Meßgerät F zeigt eine elektromotorische Kraft (Spannung) entsprechend dem Mittelwert der
Temperaturen Ti, T2, Tj dieser drei Bereiche Si, S2, Sj an.
Wenn das Meßgerät F so gebaut ist, daß es eine thermo-elektromotorische Kraft schon umgewandelt
als Temperatur anzeigt, dann kann der Mittelwert der Temperaturen dieser drei Bereiche Si, S2, Sj unmittelbar
angegeben werden.
Wo die Temperaturen Ti, T?, Tj der Bereiche, in denen
die elektrischen Widerstände B], B2, B3 angeordnet sind,
mit Gewichten im Verhältnis 3:1:2 ermittelt werden sollen, dort ist es angezeigt, die Widerstände ßi, Bi, ßj
mit solchen Widerstandswerten auszuwählen, daß sie die obige Gleichung (14) erfüllen. Dieses Verfahren
ergibt eine mit solchen Gewichten bzw. Wertvielfachen gemittelte Temperatur.
Insbesondere, wenn das Leiterpaar A\. Ai vernachlässigbar
geringere Widerstandswerte hat als die elektrisehen Widerstände B\, Bi, B3 und das Meßgerät Feine
extrem große innere Impedanz hat, wie beispielsweise bei einem Meßgerät welches automatisch selbstabgleichend
arbeitet, dann können die Bedingungen der Gleichungen (7) und (12) erfüllt werden. Es ist daher
erforderlich, den elektrischen Widerständen B\, Bi, B3
Widerstandswerte im Verhältnis 1 :3:1,5 zu erteilen,
beispielsweise 100 Ω, 300 Ω und 150 Ω.
Sind die in der Schaltung der F i g. 1 verwendeten
elektrischen Widerstände ß, bis Bn unempfindlich gegen
Wärme, dann kann man, wie bereits oben erwähnt, den mit verschiedenen Gewichten gemittelten oder einfach
(arithmetisch) gemittelten Wert der Temperaturen 7", bis Tn des Bereiches, in dem die elektrischen Widerstan- >
de ßi bis Bn angeordnet sind, unmittelbar erhalten.
Im folgenden wird das erfituiungxgemäße Tempcraturmeßelement
aus praktischer Sicht beschrieben. Die Gleichungen (3) und (7) sollten immer erfüllt sein. Wenn
jedoch die Gleichung (7) voll erfüllt ist, dann ist die Gleichung (3) notwendigerweise ebenfalls erfüllt. Es ist
daher lediglich erforderlich, solche Bedingungen zu schaffen, daß die Gleichung (7) immer erfüllt ist. Die
Gleichung (7) bedeutet, daß eine Summe der Widerstandswerte des Leiterpaares Au Αϊ, die ein Thermoele- ι s
ment bilden, und der Widerstandswert eines beliebigen elektrischen Widerstandes ßi bis Bn, der zwischen dem
Leiterpaar Au Ai angeordnet ist, vernachlässigbar
kleiner ist als die innere Impedanz des elektrischen Meßgerätes F Wenn das Verhältnis der Summe der
Widerstandswerte zu der Impedanz des Meßgerätes F etwa 1 :30 ist oder kleiner, dann kann die Temperatur
praktisch genau gemessen werden, wenngleich sich der Wert dieses Verhältnisses mit der tatsächlich geforderten
Meßgenauigkeit ändern kann. Ist die Gleichung (12)
erfüllt, dann ist es nicht notwendig, die Widerstandswerte des das Thermoelement bildenden, verwendeten
Leiterpaares A\, Αϊ zu berücksichtigen, was praktische
Vorteile bietet. Wenn eine Summe der Widerstandswerte des Leiterpaares A\, A2 des Thermoelementes
vernachlässigbar kleiner ist als der Widerstandswert irgendeines der dazwischen angeordneten Widerstände
ßi bis Bn, dann ist die Gleichung (12) naturgemäß erfüllt.
Das Verhältnis dieser Summe von Widerstandswerten zu dem Widerstandswert dieses elektrischen Widerstandes
sollte praktisch bevorzugt bei etwa 1 :30 oder einem kleineren Wert liegen, um zufriedenstellende
Ergebnisse bei der Temperaturmessung zu erzielen.
Wenn die mittlere Temperatur eines Bereiches gemessen wird, dann sollten die zwischen den zwei
Leitern eines Thermoelements angeordneten elektrischen Widerstände gegen Wärme unempfindlich sein.
Diese wärmeunempfindlichen elektrischen Widerstände können sogenannte wärmeunempfindliche elektrische
Widerstände sein. Ein Temperaturkoeffizient mit einem Absolutwert von vorzugsweise 300 ppm/" C oder
weniger, oder bevorzugter 100 ppm/" C oder weniger, ergibt gute Ergebnisse bei der praktischen Temperaturmessung.
Bezüglich des Werkstoffes sind die beiden Leiter A\, so
Αϊ des Thermoelements keinerlei besonderer Begrenzung
unterworfen. Jedes Material erfüllt diesen Zweck, vorausgesetzt, daß es als Bestandteil eines Thermoelements
geeignet ist. Kombinationen von Thermoelement-Leitern sind dem Fachmann bekannt Typische
Beispiele solcher Kombinationen sind im folgenden angegeben:
Chromel-Alumel,
Kupfer-Konstantan, Chromel-Konstantan,
Eisen-Konstantan,
Eisen-Konstantan,
Platin-Legierung aus 90% Platin und 10% Rhodium,
Platin-Legierung aus 87% Platin und 13% Rhodium,
Iridium-Wolfram sowie
ein Platinel Thermoelement.
ein Platinel Thermoelement.
Die am meisten bevorzugten Thermoelement-Paarungen dieser Liste sind Kupfer-Konstantan und
Chromel-Alumel.
Trifft man aus der Kombination der beiden Thermoelement-Metalleiter eine Auswahl, dann ist die
Auswahl der wärmeunempfindlichen elektrischen Widerstände, die zwischen den Metalleitern angeordnet
werden sollen, für den Fachmann offensichtlich. Wärmeunempfindliche elektrische Widerstände haben
vorzugsweise einen kleinen Temperaturkoeffizienten (nc); zu ihnen gehören z. B.: Manganin (α: etwa 50
ppm/°C), Konstanten (λ: etwa +50 ppm/°C), Cermet (α: etwa ± 100 ppm/0 C), Metallfilmwiderstände (α: etwa
±50 bis 100 ppm/°C), Metalloxydfilmwiderstände (λ: etwa 100 ppm/"C), Nichrom (λ: etwa +200 ppm/°C),
Chromel («: etwa +400 ppm/=C) sowie Kohieschichtwiderstände(«:etwa
±300 ppm/"C). Für die praktische Anwendung ist auch ein elektrischer Widerstand mit
einem größeren Temperaturkoeffizienten als dem oben angegebenen möglich.
1st die Art der beiden Leiter des Thermoelements und des zwischen diesem angeordneten elektrischen Widerstandes
einmal ausgewählt, dann ist es leicht, ein elektrisches Meßgerät F auszuwählen, das eine innere
Impedanz Ω hat, die die Gleichung (7) erfüllt. Dieses Meßgerät F kann ein gewöhnliches Voltmeter sein, wie
das obenerwähnte automatisch selbstabgleichende Voltmeter (Ω: etwa 1 M Ω), ein Elektronenröhren-Voltmeter
(Ω: über 100kΩ) oder ein Digitalvoltmeter (Ω:
über 1 M Ω) sein.
Hierbei ist darauf zu achten, daß zwar, wie oben erwähnt, für das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement,
das aus zwei Thermoelementleitern und einer Vielzahl von dazwischen angeordneten elektrischen
Widerständen besteht, die Bedingung der Gleichung (7) erfüllt sein sollte, diese doch lediglich als eine Anleitung
bei der Auswahl des elektrischen Meßgerätes F, das zusammen mit dem Temperaturmeßelement verwendet
wird, sein sollte.
In Fig.4 sind die Ergebnisse von experimentell ermittelten Durchschnittstemperaturen in den Bereichen
aufgetragen, in welchen drei wärmeunempfindliche elektrische Widerstände zwischen dem Kupferleiter
und dem Konstantanleiter eines Thermoelements angeordnet waren, wobei die Umgebungstemperatur
nur eines der beiden elektrischen Widerstände fortschreitend verändert wurde. Die Dreiecke in Fig.4
zeigen die jeweiligen einfach (arithmetisch) gemittelten Temperaturen und die entsprechenden thermo-elektromotorischen
Kräfte an, die zwischen den vorderen Enden des Kupfer- bzw. Konstantan-Leiters des
Thermoelements abgegriffen wurden, wobei alle drei elektrischen Widerstände einen Widerstandswert von
etwa jeweils 100 Ω hatten und die Umgebungstemperatüren zweier der Widerstände auf 26±1°C gehalten
wurden. Aus Fig.4 ist ersichtlich, daß die durch die
Dreiecke markierten Versuchswerte auf einer Geraden liegen, welche die theoretischen Werte dieser einfach
(arithmetisch) gemittelten Temperaturen wiedergibt Die in F ί g. 4 eingetragenen Kreise markieren die mit
jeweils unterschiedlichen Gewichten gemittelten Temperaturen und die erhaltenen entsprechenden thermoelektromotorischen
Kräfte, wobei der elektrische Widerstand, der an der Stelle angeordnet war, deren
Umgebungstemperatur fortschreitend geändert wurde, einen Widerstandswert von etwa 50 Ω hatte und die
anderen Faktoren gegenüber den oben angegebenen Bedingungen unverändert gehalten wurden. Die durch
die Kreise markierten Versuchsergebnisse fallen ebenfalls auf die gestrichelte Linie in F i g. 4 und geben die
theoretischen Werte dieser mit verschiedenen Gewichten gemittellen Temperaturen wieder. Änderungen der
thermo-elektromotorischen Kräfte sind in Einheiten von mV angegeben, wobei die einer mittleren
Temperatur von 2615C entsprechende thermo-elektromotorische
Kraft den Wert 0 mV hat. Fi g. 4 zeigt, daß im wesentlichen kein Fehler zwischen den Versuchsergebnissen,
die durch Messung der mittleren Temperaturen mit Hilfe des erfindungsgemäßen Temperaturmeßelements
ermittelt wurden, und den theoretischen Werten dieser mittleren Temperaturen auftritt. Ferner
geht daraus hervor, daß die experimentell gemessenen Ergebnisse der mit (verschiedenen) Gewichten gemittelten
Temperaturen einen Gradienten aufweisen, dessen Änderungen 3/2mal größer sind als die mit Hilfe
einfach (arithmetisch) gemittelter Temperauren erzielten, und daß unter der in Betracht gezogenen
Meßbedingung die mittleren Temperaturen mit Gewichten im Verhältnis von 2:1:1 gemessen wurden.
Im folgenden wird der Fall beschrieben, bei welchem mit großer Empfindlichkeit anormale örtliche Temperaturanstiege
oder Temperaturabfälle in einem Bereich gemessen werden sollen, der normalerweise eine
konstante Temperaturverteilung aufweist.
Es sei angenommen, daß in F i g. 1 die elektrischen Widerstände B\ bis Bn aus Thermistoren vom negativen
Typ bestehen, die beispielsweise gleichen Widerstandswert und Temperaturkoeffizienten aufweisen, wobei die
Widerstandswerte die Gleichung (12) erfüllen. Es sei angenommen, daß die Temperaturen Γι bis Tn in den
Bereichen, in denen die elektrischen Widerstände B\ bis Bn angeordnet sind, den gleichen Wert t haben, und
ferner, daß die Widerstandswerte R\ bis Rn aller
elektrischen Widerstände ßi bis Bn den gleichen Wert R
haben, um die Gleichung (11) zu erfüllen. Die thermo-elektromotorischen Kräfte V1 bis Vn, die von
den Thermoelementen G\ bis Gn erzeugt werden, geben
eine gleiche elektromotorische Kraft ν ab. Hier wird eine zwischen den Leiterpaaren A\, Ai erzeugte
elektromotorische Kraft V = ν, wie sich aus Gleichung (11) ergibt. Mit anderen Worten, wenn 7Ί = 7} = ... =
Tn — t unter der in den Gleichungen (9) und (12)
aufgestellten Bedingung, dann ergibt sich die folgende Beziehung:
K1 = Ii2... R11 = R ,
so daß Gleichung(11) erfüllt ist. Wenn V, = V2... Vn--
v, dann läßt sich aus Gleichung (11) die folgende Beziehung
V = ι (16)
ableiten.
Es sei nun angenommen, daß die Temperatur Ti nur eines Bereiches, in welchem der Thermistor B\
angeordnet ist, auf tup angestiegen ist. Dann ergeben sich
bei dem Widerstandswert Ki des Thermistors B\ und der
elektromotorischen Kraft Vi, die von dem Thermoelement Ci erzeugt wird, die folgenden Änderungen:
Ί ' ■ ',„,(',„. ■ π
I1 ι · /»■ (/» U.
wobei ρ die Ausgangscharakterislik eines Thcrmocli:-
R1 = R — Λ q Us >
1),
wobei q die Temperaturcharakteristik eines Thermistors bedeutet.
Zur Erinnerung sei erwähnt, daß die folgende Beziehung gilt:
T2 = T, ... = Tn = ι .
(17)
ro Eine zwischen dem Thermoelement-Leiterpaar A1, A2
erzeugte elektromotorische Kraft V, kann daher wie folgt aus den Gleichungen (9), (12) und (13) errechnet
werden:
ΡΊ
q Ui - 1)
R R
pq + (ii - 1)
q +Jn - 1)
r. (18)
Wenn in diesem Fall der elektrische Widerstand B
ein gewöhnlicher, wärmeunempfindlicher Widerstand ist, dessen Widerstandswert wenig von der Temperatur
abhängt, dann kanr eine zwischen dem Thermoelement-2s
Leiterpaar A\, A2 erzeugte elektromotorische Kraft V,
wie folgt aus der Gleichung (11) errechnet werden:
.. P + in - 1)
(19)
Die Gleichungen (18) und (19) ergeben die folgende Beziehung:
I, ■- V. =
η(q 4 ii-l)
·.· ii ä 2, ρ > 1, q
·.· ii ä 2, ρ > 1, q
Man sieht also, daß, wenn man in der Schaltung der F i g. 1 in dem Bereich, dessen Temperatur angestiegen
ist, ein elektrischer Widerstand angeordnet ist, welcher wärmeempfindlich mit negativer Charakteristik ist, eine
4.S zwischen dem Thermoelement-Leiterpaar A\, A2
erzeugte elektromotorische Kraft eine größere Änderung durch den rechten Ausdruck der obigen Gleichung
(20) erfährt, als wenn ein elektrischer Widerstand in dem obenerwähnten Bereich angeordnet wäre, welcher vom
so üblichen wärmeunempfindlichen Typ ist und geringe Abhängigkeit von der Temperatur zeigt, mit der
Möglichkeit, daß dieser Temperaturanstieg durch einen entsprechenden Anstieg der elektromotorischen Kraft
angezeigt wird.
ss Ferner läßt sich aus den obigen Gleichungen (16) und
(18) die folgende Gleichung ableiten:
//«/ 4 11
" U = Il -
Ir
ti
O .
Man sieht nämlich, daß eine zwischen dem Thermoelement-Leiterpaar /4.1, Α; erzeugte elektromotorische
Kraft eine Änderung entsprechend dem rechten Ausdruck der obieen Gleichung (2Π erfährt.
Diese Änderung Δ\\=νχ— ν) zeigt einen linearen
Verlauf bezüglich des Parameters ρ wie in Fig.5A
dargestellt, und weist einen Anstieg entsprechend dem Parameter q auf, wie in F i g. 5B dargestellt, wenngleich
dieser nicht linear ist Die obenerwähnte Änderung AV
wächst nämlich mit der Zunahme der thermo-elektromotorischen Kraft ε (mV/°C) eines Thermoelementes
entsprechend den Parametern ρ und der charakteristischen Temperatur B (° K) eines Thermistors entsprechend dem Parameter q.
Wenn in F i g. 1 die elektrischen Widerstände B\ bis Bn
wärmeunempfindliche Widerstände mit negativen Charakteristiken, wie Thermistoren mit negativen Koeffizienten sind, und die Temperatur an einer oder
mehreren örtlichen Stellen innerhalb eines Bereiches mit einer bestimmten konstanten Temperaturverteilung
anormal ansteigt, dann nimmt der Widerstandswert des
Widerstandes oder der Widerstände, der oder die an dieser einen oder mehreren Stellen) angeordnet ist
(sind) ab. In einem solchen Fall werden die Temperaturen an diesen örtlichen Stellen natürlich mit Gewichten
bzw. Wertvielfachen ermittelt, welche größer sind als der Temperaturanstieg. In dem obenerwähnten Fall
führen anormale örtliche Temperaturanstiege zu scharfen Anstiegen der elektromotorischen Kraft, die
zwischen dem Thermoelement-Leiterpaar Αι, Α2
erzeugt wird, und kann demzufolge mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden.
Auch wenn die elektrischen Widerstände beispielsweise wärmeempfindliche Widerstände mit positiven
Charakteristiken sind, wie Thermistoren mit positiven Koeffizienten sind, dann können anormale örtliche
Temperaturabfälle offensichtlich in ähnlicher Weise sehr schnell festgestellt werden.
Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, brauchen elektrische Widerstände in einem Temperaturmeßelement, die zum Feststellen anormaler örtlicher
Temperaturänderungen in einem vorgegebenen Bereich verwendet werden, nicht alle vom wärmeempfindlichen Typ zu sein. Wenn nämlich wenigstens einer der
elektrischen Widerstände wärmeempfindlich ist und alle anderen wärmeunempfindlich sind, dann kann das
theoretische Prinzip dieser F.rfindung in der Tat verwirklicht werden. Es ist jedoch absolut unmöglich,
von vornherein diejenigen Stellen eines vorgegebenen Bereiches zu finden, an welchen anormale örtliche
Temperaturänderungen stattfinden werden. Es wird daher bevorzugt, daß die bei der praktischen Anwendung verwendeten elektrischen Widerstände alle vom
wärmeempfindlichen Typ sind.
Unter diesen wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen wird eine Widerstandsart verstanden,
deren Widerstandswert eine große negative oder positive Temperaturabhängigkeit aufweist. Der Bequemlichkeit halber wird in der Praxis die Eigenschaft
eines solchen wärmeempfindlichen elektrischen Widerstandes in Form seiner charakteristischen Temperatur B
(0K) angegeben. Für praktische Zwecke wird der wärmeempfindliche elektrische Widerstand so ausgewählt, daß er eine charakteristische Temperatur B im
Bereich zwischen etwa 1000 und etwa 50000K hat. Ein im Handel erhältlicher wärmeempfindlicher Widerstand, dessen charakteristische Temperatur B im
Bereich von etwa 30000K bis etwa 350O0K liegt, kann
daher bei dem erfindungsgemäßen Temperalurmeßelement verwendet werden. Für den Fachmann ist die
Auswahl solcher wärmeempfindlicher elektrischer Widerstände !eich·,. Zu den wärmeempfindüchen elek
trischen Widerständen mit negativen Charakteristiken
gehören beispielsweise verschiedene Typen von Thermistoren mit negativem Koeffizienten, deren charakteristische Temperatur B im Bereich zwischen etwa 2000
und etwa 4000 liegt, Kritische-Temperatur-Widerstände
(Critesistoren) und keramische Widerstände. Zu den wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen mit
positiven Charakteristiken gehören beispielsweise verschiedene Typen von Thermistoren mit positivem
Koeffizienten, elektrische Silizium-Widerstandsthermometer und elektrische Germanium-Widerstandsthermometer.
F i g. 6 zeigt die (durch Kreise markierten) Versuchsergebnisse der Messungen anormaler örtlicher Temperaturanstiege unter Verwendung des erfindungsgemäßen Temperaturmeßelements, bei welchem drei Thermistoren mit negativen Charakteristiken zwischen dem
Kupfer-Konstantan-Leiterpaar eines Thermoelements angeordnet waren, wobei die Umgebungstemperatur
nur eines der Thermistoren sich fortschreitend veränderte. Alle Thermistoren wurden so ausgewählt, daß sie
einen Widerstandswert von etwa 7 kSl bei O0C und eine
charakteristische Temperatur von etwa 3400° K hatten. Die Umgebungstemperatur von zwei dieser drei
Transistoren wurde auf 26±1°C eingestellt. Die gestrichelte Linie in Fig.6 gibt die den tatsächlich
gemessenen Temperaturen entsprechenden theoretischen Werte wieder.
F i g. 7 zeigt die (durch Kreise markierten) Versuchsergebnisse der Messung anormaler örtlicher Temperaturabfälle in gleicher Weise wie in Fig.6, mit der
Ausnahme, daß die drei verwendeten wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände Thermistoren mit
positiven Charakteristiken waren. Die gestrichelte Linie in F i g. 7 gibt die den tatsächlich gemessenen Temperaturen entsprechenden theoretischen Werte wieder.
Sowohl F i g. 6 als auch F i g. 7 zeigen zum Vergleich die tatsächlich gemessenen Temperaturen (durch Dreiecke
markiert) und die entsprechenden theoretischen Werte (durch eine ausgezogene Linie dargestellt), die bereits in
F i g. 4 dargestellt sind.
Aus den Fig.6 und 7 geht hervor, daß im wesentlichen kein Unterschied beobachtet werden
konnte zwischen den mit Hilfe des erfindungsgemäßen Temperaturmeßelements tatsächlich gemessenen Temperaturen und den entsprechenden theoretischen
Werten, und es ist auch ersichtlich, daß die Meßergebnisse eines Temperaturmeßelements, bei welchem
wärmeempfindliche elektrische Widerstände verwendet werden, sich signifikanter mit der Temperatur ändern
als eines mit wärmeunempfindlichen elektrischen Widerständen, wodurch anormale örtliche Temperaturänderungen mit hoher Empfindlichkeit festgestellt
werden können.
Bei dem erfindungsgemäßen Temperaturmeßelement zur Überprüfung anormaler örtlicher Temperaturänderungen, wie auch bei einem analogen Meßelement zur
Bestimmung mittlerer Temperaturen, können die Eigenschaften, nämlich die charakteristischen Temperaturen oder die Widerstandswerte, auf gleichem Temperaturwert wie die verwendeten wärmeempfindlichen
elektrischen Widerstände in geeigneter Weise entsprechend der Frequenz der anormalen TemperaUränderungen ausgewählt werden, d. h. entsprechend der pro
Zeiteinheit erwarteten Anzahl der Temperaturänderungen der Meßstellen oder von jeder anormalen örtlichen
Temperaturänderung im Falle ihres Eintretens ausgehenden Gefahren.
Eine Leitergruppe Hn bis H1n und eine andere
Leitergruppe W21 bis //2» die bei den wärmeempfindlichen
oder wärmeunempfindlichen elektrischen Widerständen Bi bis Bn zur Anwendung kommen, können aus
dem gleichen Materia] (Fig. 8A) bestehen wie die Leiter
Λι, A2 des Thermoelements, oder aus davon verschiedenem
Material (F i g. 8B). Sind mit Sicherheit isotherme Abschnitte U bis Ln in den jeweiligen Bereichen, deren
jeder einen elektrischen Widerstand, zwei elektrische Leiter und zwei von dem elektrischen Widerstand
bestimmte Anschlüsse an die beiden Leiter des Thermoelements enthält, vorhanden, wie in Fig.8B
dargestellt, dann kann die Temperaturmessung, selbst wenn die Leiter Wu bis Hin, Hn bis H2n aus von dem
Material der Thermoelementleiter A\, A2 verschiedenem
Material bestehen, mit dem gleichen Genauigkeitsgrad durchgeführt werden, wie wenn die erstgenannten
Leiter und die Thermoelementleiter aus dem gleichen Material bestehen. Da jedoch ein isothermer Abschnitt
in dem Bereich, in welchem keinerlei Temperaturverteilung
vorliegt, normalerweise klein ist (F i g. 8A), wird die
Anwendung von Leitern Hu bis Hin H2\ bis H2n, die aus
dem gleichen Material wie das Thermoelementleiterpaar A\, A2 bestehen, bevorzugt, weil die Temperaturmeßergebnisse
hierbei zuverlässiger sind.
Die obige Beschreibung des Erfindungsprinzips ist auf den Fall bezogen, in welchem eine Vielzahl von
separaten elektrischen Widerständen zwischen zwei gemeinsam ein Thermoelement bildenden Leitern
angeordnet ist. Das heißt, die Beschreibung bezog sich y>
auf eine sogenannte »Schaltung mit punktförmigen Konstanten«. Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar
auf sogenannte »Schaltungen mit verteilten Konstanten«, bei denen angenommen wird, daß sie aus einer
unendlichen Zahl von elektrischen Widerständen und einer unendlichen Zahl von zwischen dem Leiterpaai
gebildeten Thermoelementen besteht. In dieser Beschreibung und den anschließenden Patentansprüchen
wird ein elektrischer Widerstand beispielsweise vom linearen Typ, der eine Schaltung mit punktförmigen
Konstanten darstellt, als »punktförmiger Widerstand« bezeichnet. Ein elektrischer Widerstand, beispielsweise
vom ebenen oder dreidimensionalen Typ, welcher eine Schaltung mit verteilten Konstanten bildet, wird als
»verteiler Widerstand« bezeichnet Der in der vorliegenden Beschreibung und den anschließenden Patentansprüchen
verwendete Ausdruck »elektrische Widerstandseinheit« ist daher ein Sammelausdruck für eine
Einheit bestehend aus zwei oder mehr parallelgeschalteten punktförmigen Widerständen, wenigstens einem
verteilten Widerstand, und einer Kombination von wenigstens einem punktförmigen Widerstand und
wenigstens einem verteilten Widerstand.
Das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement kann eine mittlere Temperatur mit hoher Empfindlichkeit
unmittelbar feststellen, wenn die oben definierte elektrische Widerstandseinheit, die zwischen einem
Thermoelementleiterpaar angeordnet ist, vom wärmeunempfindlichen Typ ist, und es kann auch anormale
örtliche Temperaturänderungen mit ähnlich hoher Empfindlichkeit schnell feststellen, wenn die elektrische
Widerstandseinheit wenigstens einen wärmeempfindlichen elektrischen Widerstand enthält. Das erfindungsgemäße
Temperaturmeßelement erfordert keine äußere konstante Spannungsquelle und ist explosionssicher.
<\s
Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der F i g. 9 bis 20 beschrieben. Die
Ausführungsform der Fig. 10 ist ein Beispiel für die
Anwendung des erfindungsgemäßen Temperaturmeßelements auf die mittlere Temperatur der offenen Luft
bzw. offenen Atmosphäre bei der Bestimmung der Wärmedurchgangszahl zum Zweck der Ermittlung der
Wärmeeigenschaften eines Baustoffes, beispielsweise eines wärmeisolierenden oder wärmedämmenden Materials.
Das Verfahren zur Bestimmung der Wärmedurchgangszahl
wird kurz unter Bezugnahme auf Fig.9 beschrieben. Es sei angenommen, daß die zu beiden
Seiten eines Baustoffes, welcher Gegenstand der Temperaturmessung ist, gelegenen Bereiche 2i, 22
Temperaturen TH OC bzw. TL°C haben, wobei TH>
TL ist, dann stellt sich ein Temperaturgradient ein, wie er
als gestrichelte Linie in Fig.9 dargestellt ist. Ein Wärmestrom strömt dann von dem Bereich 2\ mit der
höheren Temperatur durch den Gegenstand 1 der Temperaturmessung zu dem Bereich 22 mit der
niedrigeren Temperatur. Die Größe des Wärmestroms ist proportional der Differenz der Temperaturen
(Th-Tl) in den Bereichen 2i, 22, und ändert sich in
Abhängigkeit von den Wärmeeigenschaften des den Gegenstand 1 bildenden Baustoffes. Die Wärmedurchgangszahl
L/(kcaI/m2°C) bezeichnet das Verhältnis der
pro Zeiteinheit und Flächeneinheit durch den Gegenstand 1 der Temperaturmessung strömenden Wärmemenge,
d. h. also des eindimensionalem Wärmestromes Q(kcal/m2h) zu der Differenz der Temperaturen beider
Bereiche 2|, 22. Die Wärmedurchgangszahl i/errechnet
sich somit durch die folgende Gleichung:
u = fT^T,· (22)
Die Wärmedurchgangszahl U erhält man also durch Messung der Temperaturen in den zu beiden Seiten des
den Meßgegenstand bildenden Baustoffes 1 liegenden Bereichen und durch Messung der Größe des
eindimensionalen Wärmestromes.
Gewöhnlich ist die Temperatur des auf einer Seite des Gegenstandes 1 liegenden Bereiches nicht gleichförmig
über den Bereich. Die Bestimmung der Wärmedurchgangszahl U einfach aus der Temperatur an einem
einzigen Punkt in jedem der zu beiden Seiten des Gegenstandes 1 liegenden Bereiche 2\, 22 ergibt daher
keinen verläßlichen Wert. Man verfährt daher allgemein so, daß man die Temperaturen an einer Vielzahl von
Punkten in jedem der umgebenden Bereiche 2|, 22 mißt und die Größen Th, Tl der obigen Gleichung (22) aus
dem Mittelwert dieser gemessenen Temperaturen bestimmt. Bis jetzt ist jedoch die Messung solcher
mittleren Temperaturen von beträchtlichen Schwierigkeiten begleitet gewesen, wie oben erwähnt.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf F i g. 10 die
Ausführungsform beschrieben, bei welcher das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement zur Messung
dieser mittleren Temperatur verwendet wird. Wie in Fig. 10 dargestellt ist, werden zwei erfindungsgemäße
Temperaturelemente 3i, 32 zur Messung der mittleren
Temperaturen in den Bereichen 2i, 22, die zu beiden
Seiten des Meßgegenstandes 1 liegen, verwendet und weisen zwei Thermoelementleiteirpaare 5n—5u,
521—522 auf, sowie eine Gruppe von neun wärmeunempfindlichen
punktförmigen elektrischen Widerständen 6ii— 619, die mit gleichem Abstand zwischen einem der
Thermoelementleiterpaare 5n — 5I2 angeordnet sind,
sowie ferner eine weitere Gruppe von neun wärmeunempfindlichen punktförmigen elektriüchen Widerstän-
den 621—629, die mit gleichem Abstand zwischen dem
anderen Thermoelementleiterpaar 52i —522 angeordnet
sind. Die beiden Therrnoelementleiterpaare 5n—5i2,
521—522 werden an einem Ende jeweils durch Vergleichs-Kaltlötstellen
7|, Ti auf einer bekannten Temperatur, beispielsweise 00C, gehalten und sind durch
Leitungen 81,82 mit elektrischen Meßgeräten 4| bzw. 42
verbunden. Diese Meßgeräte 4i, 42 sind vorzugsweise
solche Geräte, welche die Ausgangssignale von den Temperaturmeßelementen 3t, 3? in Temperaturwerte
umgewandelt anzeigen. Ein Thermoelementleiterpaar 5ii—5i2 und die dazwischen angeordneten neun wärmeunempfindlichen
elektrischen Widerstände 611 bis 619,
die zusammen ein Temperaturmeßelement 3i bilden, sind alle räumlich in ein und derselben Ebene verteilt
angeordnet, welche parallel zu einer Seite des Gegenstandes 1 der Temperaturmessung liegt. Das
andere Thermoelementleiterpaar 521—522 und die
andere, dazwischen angeordnete Gruppe von neun wärmeunempfindlichen elektrischen Widerständen 621
bis 629, welche zusammen das andere Temperaturmeßelement 32 bilden, sind alle räumlich verteilt in ein und
derselben Ebene an der und parallel zu der entgegengesetzten Seite des Meßgegenstandes 1 angeordnet.
Bestehen die beiden Thermoelementleiterpaare 5ii—5i2,521—522, die in den beiden Temperaturmeßelementen
der obigen Anordnung enthalten sind, aus einem Chromeldraht von 0,65 mm Durchmesser und eiv>
a 2 m Länge soweit der eine Leiter betroffen ist, und einem Alumeldraht gleicher Abmessungen soweit der andere
Leiter betroffen ist, dann weist ein Thermoelementlel· terpaar 5i 1 —5i2 wie auch das andere Thermoelementleiterpaar
521—522 etwa die gleiche Widerstandswertsumme
von 6 Ω auf. Wenn unter dieser Bedingung jeder der Widerstände 611 bis 619, die zwischen einem Thermoelementleiterpaar
5ii—5i2 angeordnet sind, und jeder der
Widerstände 62i, 629, die zwischen dem anderen
Thermoelementleiterpaar 521—522 angeordnet sind,
einen gleichen Widerstandswert im Bereich von 500 bis 5000 Ω hat, dann ist es nicht notwendig, den
Gesamtwiderstandswert des einen Thermoelementleiterpaares 5ii— 5i2 und des anderen Thermoelementleiterpaares
521—522 zu berücksichtigen (denn dann ist
Gleichung(12) erfüllt). Das elektrische Meßgerät4i oder 42 kann daher ein gewöhnliches Voltmeter sein, wie das
oben beschriebene automatisch selbst abgleichende Voltmeter, ein Elektronenröhrenvoltmeter oder ein
Digitalvoltmeter. Da, wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, die Gleichung (11) unter den obigen
Bedingungen erfüllt ist, erzeugen die beiden Temperaturmeßelemente 3|, 32 thermoelektromotorische Kräfte
entsprechend den einfach (arithmetisch) gemittelten Temperaturen der Bereiche zu beiden Seiten des
Meßgegenstandes 1, und die Meßgeräte 4i, 42 zeigen die
auf diese Weise erzeugten thermoelektromotorischen Kräfte in einer in die entsprechende einfach gemittelte
Temperatur umgewandelten Form an.
Wird die Umgebungstemperatur in der vorstehenden Weise gemessen, dann absorbieren die Widerstände 6n
bis 619, 621 bis 629 äußere Strahlungswärme, was oft zu
Fehlern bei der Temperaturmessung führt. Um diesen unerwünschten Vorgang zu vermeiden, ist es ratsam,
einen Spulenwiderstand ti zu nehmen, der wie in Fig. HA durch Wendelung eines isolierten Widerstandes
gebildet worden sein kann, beispielsweise durch Aufwickeln eines emaillierten Konstantandrahtes 9 um
eine Teflonspule 10 oder durch Aufwickeln eines kompakten Metalloxyd-Filmwiderstandes 12 (F i g. 11 B)
mit einem Temperaturkoeffizient von beispielsweise weniger als 100 ppm/" C und Einsetzen in ein zylindrisches
Gehäuse 14 (F i g. 11 D), welches mit Stirnplatten 13 versehen ist, sowie eine erhöhte Oberflächenreflexion
aufweist, die durch Verspiegelung oder Platierung mit Gold oder Chrom erzielt wurde. Ferner sollte jede
der obengenannten Stirnplatten 13, deren Vorderansicht in Fig. HC dargestellt ist, vorzugsweise eine
Vielzahl von Löchern aufweisen, und die Spule 10 sollte tunlichst an beiden Umfangsrändern, wie in Fig. 1 IC
dargestellt, eingekerbt sein, darüber hinaus wird für einen der beiden Leiter 15 des obenerwähnten
Widerstandes 11 oder 12 das gleiche Material ausgewählt, aus dem einer der Leiter des Thermoelementpaares
5n—5i2, 521—522 besteht, und für das
Material des anderen Leiters 15 wird das gleiche Material ausgewählt, aus dem der andere Leiter der
Thermoelementleiterpaare 5n—5t2, 52i— 522 besteht.
Diese Ausführung sichert eine überaus große Verläßlichkeit der Temperaturmeßergebnisse.
Die mittleren Temperaturen der die Temperaturmeßelemente 3i, 32 umgebenden Bereiche, d. h. die mittleren
Temperaturen Tu, Tl der Bereiche 2,, 22 der Atmosphäre
können somit leicht und unmittelbar mit großer Genauigkeit durch die Temperaturmeßelemente 3j, 32
gemessen werden. Wenn der pro Zeiteinheit und Flächeneinheit (eindimensionale) durch den Gegenstand
1 strömende Wärmestrom Q mit Hilfe des obigen Verfahrens gemessen wird, dann kann die Wärmedurchgangszahl
U des Meßgegenstandes 1 mit Hilfe der obengenannten Gleichung (22) aus den mittleren
Umgebungstemperaturen Tu, Tl und der Größe Q des
eindimensionalen Wärmestromes errechnet werden.
Bei der obigen Ausführungsform waren die Temperaturmeßelemente 3j, 32 mit den entsprechenden elektrischen
Meßgeräten 4|, 42 verbunden, um die mittleren Temperaturen Tu, Ti. der Umgebungsbereiche oder
Atmosphärenbereiche 2|, 22 zu beiden Seiten des Meßgegenstandes 1 zu bestimmen, indem man zwischen
den beiden mittleren Temperaturen eine Differenz (Tu— Ti) bildete. Es ist jedoch möglich, die beiden
Temperaturmeßelemente 3|, 32 differential zu verbinden,
wie in F i g. 12 dargestellt, so daß ein Differenzwert auf einem elektrischen Meßgerät 4 mit Nullmitte
(mittleren Nullpunkt) angezeigt wird. Diese Ausbildung ermöglicht die unmittelbare Bestimmung einer Differenz
(Tu— Tl) zwischen den mittleren Temperaturen beider Umgebungsbereiche 2,, 22.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform waren neun elektrische Widerstände mit gleichem Widerstandswert
zwischen den Leitern eines Thermoelementleiterpaares zur Messung einer einfach (arithmetisch)
gemittelten Temperatur angeordnet. Die Anzahl dieser Widerstände ist jedoch nicht auf die verwendete Anzahl
beschränkt. Beispielsweise kann jede andere Anzahl von Widerständen, beispielsweise fünf, Anwendung
finden. Wenn die Anzahl (beispielsweise 5) der verwendeten Widerstände den Bereich des Gegenstandes
der Temperaturmessung nicht in gleiche Flächen unterteilen kann, dann ist es ratsam, den Widerstandswerten
der in den jeweiligen Abschnitten oder Flächen angeordneten Widerstände Gewichte bzw. Wertvielfache
zuzuordnen, die den unterteilten Flächen entsprechen, und einen mit verschiedenen Gewichten bzw.
Wertvielfachen gemittelten Durchschnittswert zu bestimmen.
Bei der obengenannten Ausführungsform wurde das Temperaturmeßelement zur Messung einer mittleren
Umgebungstemperatur verwendet, um die Wärmedurchgangszahl
eines Testmaterials zu bestimmen. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Temperaturmeßelements
ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Das Element kann auf vielen Gebieten bei der Bestimmung
der mittleren Temperatur Anwendung finden, beispielsweise bei einem Ofen während eines diskontinuierlichen
Verfahrens oder bei in eine Badewanne gefülltem Wasser.
Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher ein erfindungsgemäßes Meßelement zur Bestimmung anormaler
örtlicher Temperaturänderungen im Zusammenhang mit einer Alarmvorrichtung Anwendung findet,
wobei das Auftreten beispielsweise eines Feuers oder eines Lecks in der Wanne eines elektrischen Ofens
festgestellt und ein Alarm ausgelöst wird.
Das von dem Temperaturmeßelement 101 abgegebene Signal in Form einer thermo-elektromotorischen
Kraft wird auf eine Alarmschaltung 102 aufgegeben, die ein Alarmsignal erzeugt, wenn die thermo-elektromotorische
Kraft einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Das Temperaturmeßelement 101 besteht aus einem Thermoelementleiterpaar, beispielsweise einem Kupferleiter
103i und einem Konstantanleiter 1032, sowie
einer Anzahl von η wärmeempfindlichen Widerständen 1O4| bis 104m die in einem gleichen Abstand zwischen
den Leitern parallelgeschaltet sind. Das Thermoelementleiterpaar 103|, 1032 aus unterschiedlichem Material
ist an einem Ende an die Alarmschaltung 102 über entsprechende Kupferleiter 105i, 1052 angeschlossen.
Wie in Fig. 14 dargestellt, umfaßt jeder der wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände 104] bis
104„ einen Aluminiumblock 106 mit den Abmessungen 20 mm χ 10 mm χ 2 mm, der drei durch ihn hindurchgehende
Längsbohrungen von 1,2 mm Durchmesser aufweist, einen Thermistor 107 mit negativen Charakteristiken,
der in die mittlere Bohrung eingesetzt ist, sowie ein Thermoelementleiterpaar 103i, 1032 aus unterschiedlichen
Materialien, welches in die beiden seitlichen Bohrungen gesteckt ist, wobei beide Enden des
Thermistors 107 mit den Leitern 103i, 103? aus
unterschiedlichem Material verbunden sind, wodurch die Temperatur eines als Testmaterial bestehenden
Gegenstandes der Temperaturmessung verläßlich auf den Thermistor 107 und das Metalleiterpaar 103i, 1032
übertragen wird. Die Außenseite des Aluminiumblockes 106 ist mit einem hitzebeständigen Kautschuküberzug
108 beschichtet, beispielsweise Siliconkautschuk oder einem fluorierten Kautschuk, um mechanischen Schutz
und Fixierung des Thermistors 107 und des Thermoelementleiterpaares
103t, 1032 zu erreichen, und die
Temperatur des Meßgegenstandes und des Aluminiumblockes 106 durch die Wärmespeichereigenschaften des
Oberzuges zu egalisieren, und das Anhaften des Aluminiumblockes 106 an dem Meßgegenstand zu
verbessern. Die wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände 104i bis 104„ sind an den erforderlichen
Stellen angeordnet.
Wenn bei der obenerwähnten Anordnung die Widerstandswerte des Thermoelementleiterpaares
103i, 1032, die Widerstandswerte (Rx bis An) der
wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände 104i —
104„ bei Normaltemperatur und die innere Impedanz
(Rq) der Alarmschaltung 102 so ausgewählt sind, daß sie geeignete Werte haben, um die Bedingung der
Gleichung (7) zu erfüllen, dann ist auch Gleichung (9) erfüllt. Treten anormale örtliche Temperaturanstiege an
einigen der Stellen auf, an welchen sich die wärmeemp
findlichen elektrischen Widerstände 104, bis 104„
befinden, dann erzeugt das Thermoelementleiterpaar 1O3|, 1032 scharf ansteigende thermo-elektromotorische
Kräfte entsprechend diesen Temperaturanstiegen.
Wie oben erwähnt, sind Kupferleitungen bzw. Kupferleiter 105i, 1OS2 an das Thermoelementleiterpaar
1O3| bzw. 1032 an einem Ende angeschlossen, um eine
Differcntial-Thermoelementschaltung zu bilden. Wenn in diesem Fall die Widerstandswerte der wärmeempfindlichen
elektrischen Widerstände 104, bis 104„ bei
Normaltemperatur so gewählt werden, daß sie die Bedingung der Gleichung (12) erfüllen, dann können die
Widerstandswerte des Thermoelementleiterpaares 103i, 1O32 und der Leiter 10Si, 1052 vernachlässigt
werden. Bezeichnet V0 eine thermo-clcktromotorische
Kraft, die an der Verbindungsstelle des Konstantanleiters 1032 mit dem Leiter 1052 auftritt, und bezeichnen V,
bis Vn thermo-elektromotorische Kräfte, die an den
durch die Widerstände 104) bis 104„ und die entsprechenden
Abschnitte der Leiter 103,, 1032 gebildeten
Thermoelementen erzeugt werden, dann zeigt eine die Alarmschaltung 102 und das Temperaturmeßelement
101 einschließende äquivalente Schaltung die in F i g. 15 dargestellte Form. Bezeichnet V die Spannung an den
beiden Ausgangsklemmen des Temperaturmeßelementes 101, nämlich die der Alarmschaltung 102 aufgeprägte
Spannung, dann ergeben sich die folgenden Gleichun-
«. Ul
1
K2
K2
*„)
(23)
Wenn die Beziehungen
»Ί =
(24)
in die obige Gleichung (23) eingesetzt wird, dann ergibt sich die folgende Gleichung:
V = 0 .
(25)
Wenn daher die Temperaturen der Bereiche, welche das Temperaturmeßelement 101 umgeben, in gleichet
Weise ansteigen, dann wird keine thermo-elektromotorische Kraft an den beiden Ausgangsklemmen des
Temperaturmeßelementes 101 erzeugt. Nur wenr irgendwelche anormalen örtlichen Temperaturanstiege
in den das Temperaturmeßelement 101 umgebender Bereichen erfolgen, dann ergibt sich entsprechend derr
örtlichen Temperaturanstieg eine plötzlich und start erhöhte theimo-elektromotorische Kraft Übersteigi
diese thermo-elektromotorische Kraft einen vorbe stimmten Wert, dann gibt die Alarmschaltung 102 eir
Alarmsignal ab. Wenn beispielsweise die Temperatui eines gesamten Raumes oder elektrischen Ofens voi
einem vorgegebenen Wert auf einen höheren Wer ansteigt so gibt die Alarmschaltung 102 kein Alarmsi
gnal ab. Nur wenn irgendwelche anormalen örtlich« Temperaturanstiege in dem Raum oder dem elektri
sehen Ofen erfolgen, wird dies mit hoher Empfindlich keit durch das ausgelöste Alarmsignal festgestellt
Das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement 10' kann anormale örtliche Temperaturanstiege, die ii
einem das Temperaturmeßelement 101 umgebendei
Bereich auftreten, und die beispielsweise durch ein Feuer oder ein Leck der Schmelze aus einen
elektrischen Ofen verursacht werden, mit hoher Empfindlichkeit einfach dadurch feststellen, daß eine
Anzahl von η wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen 1O4| bis 104„ an vorgeschriebenen Stellen
zwischen einem Thermoelementleiterpaar 103], 1032
räumlich verteilt werden. Da das Leiterpaar t03i, 1032
eine thermo-elektromotorische Kraft entsprechend irgendeinem in seiner Umgebung auftretenden anormalen
Temperaturanstieg erzeugt, muß eine äußere Spannungsquelle nicht vorgesehen werden, und darüber
hinaus kann das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement 101 völlig explosionssicher gemacht werden. Wie
oben erwähnt, erzeugt das Thermoelementleiterpsar 103], 1032 gemeinsam nur dann eine scharf erhöhte
thermo-elektromotorische Kraft, entsprechend einem anormalen örtlichen Temperaturanstieg, wo ein solcher
anormaler örtlicher Temperaturanstieg in der Umgebung des Temperaturmeßelementes 101 auftritt. Selbst
wenn daher die Alarmschaltung 102 so ausgebildet ist, daß sie nicht auf einen Gradienten der Änderung der
von dem Thermoelementleiterpaar 103t, 1032 erzeugten
thermo-elektromotorischen Kraft anspricht, d. h. auf einen auf die Zeiteinheit bezogenen Betrag dieser
Änderung, sondern ganz einfach ausgebildet ist und nur dann anspricht, wenn im Zuge der Änderung ein vorher
festgesetzter Wert für das von dem Leiterpaar 103i, 1032 erzeugte Signal überschritten wird, kann jeglicher
Fehlalarm vermieden werden.
Bei der obigen Ausführungsform, bei welcher eine Differential-Th^rmoelementschaltung von dem Leiterpaar
103i, 1032 und den Leitern 105j, 105? gebildet wird,
erzeugt das Temperaturmeßelement 101 eine thermoelektromotorische Kraft an ihren beiden Ausgangsklemmen
nur dann, wenn ein anormaler örtlicher Temperaturanstieg in der Umgebung des Temperaturmeßelementes
101 auftritt. Eine thermo-elektromotorische Kraft Vo, die an einer Differentialverbindung
auftritt, nämlich einer Verbindung zwischen dem Thermoeiementleiier 1032 und dem Leiter f052, wird
daher, verglichen mit den thermo-elektromotorischen Kräften V, bis Vn, die an den Verbindungen zwischen
den wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen 1O4| bis 104„ und dem Thermoelementleiterpaar 103i,
1032 auftreten, in seinem Wert /j-mal vervielfacht. Daher
sollte die Messung von Temperaturänderungen an dieser Differentialverbindung unter entsprechender
Berücksichtigung dieser Tatsachen durchgeführt werden. Zu diesem Zweck ist es ratsam, ein Paar von
Temperaturmeßelementen 1011, 10I2 der gleichen
Anordnung, wie sie in Fig. 16 dargestellt ist, vorzusehen, von denen eines ein Thermoelementleiterpaar
103·, ι, 103i2 sowie eine Anzahl von π wärmeempfindlichen
elektrischen Widerständen 104n bis 104i„,und das
andere ein Thermoelementleiterpaar 10321, 10322 und
eine Anzahl von η wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen 1042t bis 1042n aufweist, das Temperaturmeßelementpaar
101), IOI2 differential zu verbinden,
eine Differentialverbindung zu der Alarmschaltung 102 herzustellen, und die Alarmschaltung 102 so auszubilden,
daß sie unterschiedliche Alarmsignale entsprechend der Polarität der an sie abgegebenen Differentialsignale
abgibt. Diese Anordnung verhindert, daß eine an der Differentialverbindung auftretende thermo-elektromotorische
Kraft in ihrem Wert n-fach vervielfacht wird, verglichen mit den durch das Thermoelement
erzeugten elektromotorischen Kräften, das zu einem Teil von den wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen
1O4| bis 104„ gebildet wird. Ferner machen es
die von der Alarmschaltung 102 abgegebenen Alarmsi-' gnale, deren Form bzw. Art sich mit der Polarität der
s von den Temperaturmeßelementen 1011, 1012 abgegebenen
Differentialsignale ändert, möglich, herauszufinden, in welchem der mit dem Temperaturmeßelementpaar
1011, IOI2 versehenen Bereiche ein anormaler
örtlicher Temperaturanstieg aufgetreten ist. Wenn jedoch anormale örtliche Temperaturanstiege von im
wesentlichen gleicher Stärke in beiden Bereichen, in denen sich die Temperaturmeßelemente 101,, 10I2
befinden auftreten, dann überlagern sich die von den Elementen 101 u 10I2 abgegebenen Differentialsignale,
was schließlich dazu führt, daß überhaupt kein Differentialsignal abgegeben wird. Diese Tatsache sollte
daher bei Anwendung der Ausführungsform der Fig. 16 immer im Auge behalten werden. Es ist auch möglich,
von dem Thermoelementleiterpaar 1O3|, 1O32 direkt eine
dort erzeugte thermo-elektromotorische Kraft abzunehmen, anstatt eine Differentialverbindung zwischen
den Leitern 103]t 1032 und den anschließenden
Leitungen bzw. Leitern herzustellen, oder das Temperaturmeßelementpaar 1011,10I2 differential zu verbinden.
Wenn in diesem Fall die Alarmschaltung 102 so ausgebildet ist, daß sie auf einen Gradient der
Änderungen der von dem Temperaturmeßelementpaar 1011,10I2 abgegebenen Signale anspricht, d. h. auf einen
Betrag der Temperaturänderung pro Zeiteinheit, oder wenn die Alarmschaltung so ausgebildet ist, daß sie nur
auf eine Änderung anspricht, wenn diese einen vorbestimmten Wert für die von den Schaltungen 1011,
IOI2 abgegebenen thermo-elektromotorischen Kräfte
übersteigt, dann ermöglicht es der erstgenannte Typ der Alarmschaltung 102, daß das Temperaturmeßelementpaar
1011, 10I2 jeglichen scharfen Anstieg der Gesamttemperatur
feststellt, während es der zweitgenannte Typ der Alarmschaltung 102 ermöglicht, daß die
Elemente 1011,10I2 den Anstieg der Gesamttemperatur
10. über einen vorbestimmten Wert feststellen.
Bei keiner der oben beschriebenen Ausführungsformen ist es jedoch möglich, genau die Stelle in dem ein
Temperaturmeßelement umgebenden Bereich anzugeben, an welcher ein anormaler örtlicher Temperaturanstieg
stattfand, wenngleich es möglich war, das Auftreten solcher anormaler örtlicher Temperaturanstiege
einfach festzustellen. Wenn eine Vielzahl von (beispielsweise 8) Temperaturmeßelementen 1011 bis
101s gleicher Ausbildung in Matrixform angeordnet
so werden, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist, und jedes
Thermoelementleiterpaar und die entsprechenden Leitungen differential miteinander verbunden werden, oder
jeweils zwei der acht Temperaturmeßelementc differential
verbunden werden, wie dies in Fig. 18 dargestellt ist, und Differentialausgangssignale auf die
Alarmschaltung 102 aufgegeben werden, dann ist es möglich, nicht nur jeglichen anormalen örtlichen
Temperaturanstieg in einem alle Temperaturmeßelemente 101] bis 101s umgebenden Bereich festzustellen,
(κι sondern auch die genaue Stelle, an welcher der
anormale örtliche Temperaturanstieg stattfand. Wie aus F i g. 17 hervorgeht, ist es, wenn alle von den acht
Temperaturmeßelementen 101t bis 101h abgegebenen Differentialsignale eine positive Polarität haben, mög-
<>s lieh, daß anormale örtliche Temperaturanstiege an den
Stellen stattfanden, welche durch schwarze Kreise markiert sind und an welchen sich die wärmeempfindlichen
Widerstände befinden. Haben alle von den
Elementen 101, bis 10I8 abgegebenen Differentialsignale
eine negative Polarität, dann zeigt dies anormale örtliche Temperaturanstiege an den durch weiße Kreise
markierten Stellen, an denen die wärmeempfindlichen Widerstände angeordnet sind, an. Wenn ferner alle
Temperaturmeßelemente 1011 bis 10U Differentialsignale
positiver Polarität abgeben, die Temperaturmeßelemente IOI3, 1015 große Differentialsignale abgeben,
die Temperaturmeßelemente 10I4,1OU kleine Differentialsignale
abgeben, und die anderen Temperaturmeßelemente 10I1, 10I2, 10I7, 1OU Differentialsignale vom
Wert 0 abgeben, so zeigt dies an, daß ein normaler örtlicher Temperaturanstieg an einer Stelle L stattfand,
welche schraffiert ist, und die sich über die Temperaturmeßelemente 10Ϊ3, iOis erstreckt und nahe den
Temperaturmeßelementen IOI4,1OU liegt.
Bei allen obigen Ausführungsformen wurden die Thermistoren mit negativer Charakteristik, die zwischen
den Thermoelementleiterpaaren angeordnet sind, so ausgewählt, daß sie einen gleichen Widerstandswert
bei der gleichen Temperatur und eine gleiche charakteristische Temperatur B aufwiesen. Die Widerstandswerte
oder charakteristischen Temperaturen dieser Thermistoren können jedoch so gewählt werden, daß sie
Werte haben, welche mit der erwarteten Frequenz der anormalen örtlichen Temperaturanstiege an den Stellen
dor Temperaturmessung oder mit den aus diesen anormalen örtlichen Temperaturanstiegen sich ergebenden,
erwarteten Gefahren übereinstimmen. Dieses Verfahren macht es möglich, den erwähnten Widerständen
oder charakteristischen Temperaturen B der Widerstände Gewichte bzw. Wertvielfache entsprechend
der erwarteten Frequenz anormaler örtlicher Temperaturanstiege oder der von jedem dieser
anormalen örtlichen Temperaturanstiege verursachten vorhergesehenen Gefahren zu geben.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen waren die wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände
Thermistoren mit negativen Charakteristiken zur Bestimmung anormaler örtlicher Temperaturanstiege.
Diese wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände können jedoch auch Thermistoren mit positiven
Charakteristiken sein. Dieser Thermistortyp kann anormale örtliche Temperaturabfälle mit großer Empfindlichkeit
feststellen. 4s
Bei einer der obigen Ausführungsformen wurde das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement zusammen'
mit einer Alarmvorrichtung für die Abgabe eines Alarmsignals nach Feststellen eines Feuers oder eines
Schmelzelecks in einem elektrischen Ofen verwendet. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf
dieses Gebiet beschränkt. Die Erfindung kann auch bei einem Brutofen angewendet werden, um anormale
örtliche Temperaturanstiege oder -abfalle in dem Brutofen mit hoher Empfindlichkeit festzustellen und
hierdurch die Betriebssicherheit des Brutofens in signifikanter Weise zu erhöhen.
Das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement ist auch beispielsweise bei einer elektrischen Heizdecke
anwendbar. Diese Anwendung erfolgt auf folgende Weise. Zunächst wird ein Thermoelementleiterpaar
103^ 1032 aus unterschiedlichen Materialien vorgesehen,
deren einer beispielsweise von dem Heizdraht 1032 (Fig. 19) der Heizdecke gebildet wird. Dieses Thermoelementleiterpaar
103i, 1032 wird unter gleichem Abstand in einen Schlauch (code) 111 eingebettet, der
aus leitendem Kunststoff mit negativen Temperaturcharakteristiken besteht. Eine Vergleichs-Kaltlötstelle 112
ist an die Leiter 103| bzw. 1032 des Thermoelements an
jedem ihrer Enden angeschlossen, um ein Temperaturmeßelement 101 zu bilden, welches gleichzeitig als
Heizelement dient. Die Ausgangssignale, die von dem Temperaturmeßelement lOlabgegeben werden, werden
einem Leistungsregelkreis 113 aufgegeben, der mit der
Heizdeckenheizung 1032 verbunden ist, und die Leistungsabgabe
einer Leistungsquelle 114 und demzufolge die Leistungszufuhr zu der Heizdeckenheizung 1032
steuert. Bei dieser Anordnung werden mit hoher Empfindlichkeit anormale örtliche Temperaturanstiege
infolge eines Verdrillens oder Abbäegens der elektrischen
Heizdecke festgestellt, worauf unmittelbar ein Abspalten der Leistungszufuhr zu der Heizdeckenheizung
1032 erfolgt, so daß das Auftreten verschiedener Unfälle, die aus anormalen örtlichen Temperaturanstiegen
entstehen können, wie beispielsweise eine Entzündung der Heizdecke oder Verbrennungen des Benutzers
der Heizdecke, vermieden werden und die Sicherheit der elektrischen Heizdecke daher in signifikanter Weise
erhöht wird. Wenn ein anormaler Temperaturanstieg in der gesamten Heizdecke erfolgt, beispielsweise infolge
eines Ausfallens der TemperatursteuerungsvorrichtunE, dann kann die vorliegende Ausbildung der elektrischen
Heizdecke diesen anormalen Gesamttemperaturanstieg feststellen und jeglichen daraus herrührenden Unfall
vermeiden.
Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, mit Ausnahme der Ausführungsform der Fig. 19,
bestand die oben definierte Widerstandseinheit, welche zwischen dem Thermoelementleiterpaar angeordnet ist,
aus getrennten elektrischen Widerständen, nämlich punktförmigen Widerständen; sie kann jedoch auch aus
einem verteilten Widerstand bestehen. Ein Temperaturmeßelement mit einem solchen verteilten Widerstand
kann beispielsweise wie in Fig. 20A dargestellt konstruiert sein. Dabei ist ein Thermoelementleiterpaar
2021, 2022 auf einem Stück einer Folie aus Isoliermaterial,
beispielsweise Papier oder Polyvinylchlorid, befestigt, und der Zwischenraum zwischen den Leitern 2021,
2022 ist beschichtet mit wärmeunempfindlicher oder
wärmeempfindlicher, einen elektrischen Widerstand (d. h. einen verteilten Widerstand) darstellender Kohlefarbe
bestrichen, welche üblicherweise beispielsweise als Flächenheizelement verwendet wird, oder es ist, wie
in Fig.2OB dargestellt, das Thermoelementleiterpaar 202], 2022 mit gleichem Abstand in einem Schlauch
(code) 204 eingebettet, welcher aus wärmeunempfindlichem oder wärmeempfindlichem leitendem Kunststoff
besteht (d. h. einen verteilten Widerstand darstellt). Beide oben beschriebenen Anordnungen können die
Temperatur genau und fehlerlos messen
Das erfindungsgemäße Temperaturmeßelement hat
einen sehr einfachen Aufbau und besteht wie oben erwähnt, aus einem Metalleiterpaar, welches gemeinsam
ein Thermoelement bildet, sowie einer zwischen den Metalleitern angeordneten elektrischen Widerstandseinheit,
und es mißt die Temperatur mit hoher Empfindlichkeit, und ist darüber hinaus wegen des
Fehlens einer äußeren Spannungsquelle explosionssicher
konstruiert, wodurch es große Sicherheit bietet
Hierzu 8 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Vorrichtung zur Messung und Überwachung der mittleren Temperatur eines bestimmten Bereichs, mit zwei gemeinsam ein Thermoelement bildenden Metalleitern, zwischen denen jeweils einer festgelegten Stelle oder einer bestimmten Einheit des zu überwachenden Bereichs zugeordnete elektrische Widerstände angeschlossen sind, sowie mit einem an einem Ende der Metalleiter angeschlossenen Spannungsmeßgerät zur Messung der über diesen Leiterenden auftretenden Spannung, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstände (B\ — B„) wärmeunempfindlich sind und einen Temperaturkoeffizienten von weniger als 300 ppm/°C absolut aufweisen, daß der Wert des Innenwiderstands (Si) des Meßgeräts mindestens dreißigmal größer ist als der Gesamtwiderstandswert der Widerstände und des Summenwiderstands der beiden Metalleiter (Au Ai), daß der Gesamtwiderstandswert mindestens dreißigmal größer ist als der Summenwiderstand der beiden Metalleiter und daß zur Bestimmung einer bewerteten auf die Bereichselemente bezogenen mittleren Temperatur das Widerstandsverhältnis zwischen zwei beliebigen der Widerstände dem Reziproken des Verhältnisses der Größen der diesen Widerständen jeweils zugeordneten Bereichselememe entspricht.1°
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