DE2530897C3

DE2530897C3 - Vorrichtung zur Messung und Überwachung der mittleren Temperatur eines bestimmten Bereichs

Info

Publication number: DE2530897C3
Application number: DE2530897A
Authority: DE
Inventors: Isamu Aoyanagi; Yoshiaki Arakawa; Saburo Matsumoto
Original assignee: Showa Denko KK
Current assignee: Resonac Holdings Corp
Priority date: 1974-07-10
Filing date: 1975-07-10
Publication date: 1978-06-15
Also published as: US4037463A; DE2530897B2; DE2530897A1

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 unte^r 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]-B_n) 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 B_n, 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 G_n. Die Thermoelemente G\ bis G_n erzeugen elektromotorische Kräfte entsprechend den Temperaturen T\ bis T_n in den Bereichen, in welchen die elektrischen Widerstände B\ bis B_n angeordnet sind. Diese thermo-elektromotorischen Kräfte werden auf das Meßgerät Faufgegeben.

Setzt man daher V, bis V_n zur Definition der thermo-elektromotorischen Kräfte, welche von den Thermoelementen Ci bis G_n entsprechend den Temperaturen T\ bis T_n 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 B_n auftreten, setzt man r„ für eine Summe von Widerständen, die in dem Leiterpaar A\, Ai zwischen dem elektrischen Widerstand B_n und dem obengenannten einen Ende C\ des Leiters A\ und ebenso zwischen dem elektrischen > Widerstand B_n und dem obenerwähnten anderen Ende C2 des Metalleiters /A₂ auftreten, setzt man R\ bis R₁₁ für die Widerstandswerte der elektrischen Widerstände B₁ bis B_n 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 V_n und Widerständen Ri bis R_n, 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 '

V_n = (r„ + U)/, + (r„ + il)i₂ + ■■■ + (r„ 4 i2)i„-, + (R_n + 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 G_n 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 G_n 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'.

r_n)i_n f ii

(4)

7 8

Dann kann das Verhältnis zwischen der obenerwähnten Spannung und den ihermo-elcktromotorischen Kräften V, bis V_n 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

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 G_n 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 B_n. 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 V_n ist, die von den Thermoelementen G] bis G_n erzeugt werden. Wenn in der Gleichung (8) die folgenden Bedingungen

R]

R-,

1 '·„

- '■„

R_n

(·„

(12)

voll erfüllt sind,
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 R_n der elektrischen Widerstände B] bis B_n sich nicht sehr stark mit der Temperatur ändern, insbesondere, daß diese Widerstände B] bis B_n 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 T_n in den Bereichen, wo die elektrischen Widerstände B\ bis B_n 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 B_n so gewählt, daß sie geeignete Widerstandswerte R\ bis A_n 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 B_n unempfindlich gegen Wärme, dann kann man, wie bereits oben erwähnt, den mit verschiedenen Gewichten gemittelten oder einfach (arithmetisch) gemittelten Wert der Temperaturen 7", bis T_n des Bereiches, in dem die elektrischen Widerstan- > de ßi bis B_n 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 B_n, 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 B_n, 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,

Platin-Legierung aus 90% Platin und 10% Rhodium,

Platin-Legierung aus 87% Platin und 13% Rhodium,

Iridium-Wolfram sowie
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 B_n 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 T_n in den Bereichen, in denen die elektrischen Widerstände B\ bis B_n angeordnet sind, den gleichen Wert t haben, und ferner, daß die Widerstandswerte R\ bis R_n aller elektrischen Widerstände ßi bis B_n den gleichen Wert R haben, um die Gleichung (11) zu erfüllen. Die thermo-elektromotorischen Kräfte V₁ bis V_n, die von den Thermoelementen G\ bis G_n 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} = ... = T_n — 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... V_n-- 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 t_up 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, ... = T_n = 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

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\\=ν_χ— 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 B_n 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 H_n bis H_1n und eine andere Leitergruppe W21 bis //2» die bei den wärmeempfindlichen oder wärmeunempfindlichen elektrischen Widerständen Bi bis B_n 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 L_n 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 Hi_n, Hn bis H_2n 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 Hi_n H₂\ bis H_2n, 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 T_H ^OC bzw. T_L°C haben, wobei T_H> T_L 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 3_t, 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—5_t2, 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 104_m 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 103_t, 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 (R_x bis A_n) 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 V_n 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

*„)

(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 V_n, 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 104_2n 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

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.

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