DE3643047A1 - Einrichtung mit wenigstens einem temperatursensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung mit wenig­ stens einem Temperatursensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Dabei sind unter "Bereich eines ersten Bauteils" sowohl eine gerade oder gekrümmte Strecke des ersten Bauteils als auch eine Fläche desselben zu verste­ hen. Der "Bereich" kann sich nur auf der Oberfläche des ersten Bauteils erstrecken, er kann aber auch die unter der Oberfläche befindlichen Schichten bzw. Massen des ersten Bauteils umfassen.

Auf vielen technischen Gebieten tritt das Problem auf, die Temperatur eines wie vorstehend definierten Bereichs eines ersten Bauteils zu erfassen und zu diesem Zweck ein diese Temperatur abbildendes Signal zu gewinnen. In der Mehrzahl aller Fälle ist die Temperaturverteilung in dem Bereich ungleichmäßig. Deshalb weisen in der Regel ein streckenartiger Bereich ein Temperaturprofil und ein flächiger Bereich ein Temperaturrelief auf. Oft ist die Temperaturverteilung in den Bereich zudem noch zeitlich veränderlich, d. h. instationär. In all diesen Fällen wird üblicherweise auf eine punktweise Erfassung des Temperaturprofils bzw. des Temperatur­ reliefs verzichtet und ersatzweise die mittlere Temperatur ermittelt bzw. ein die mittlere Tempera­ tur abbildendes Signal gewonnen.

Dem letztgenannten Zweck dient eine Einrichtung der eingangs genannten Art. Eine solche Einrichtung ist in der DE 35 02 052 A1, siehe dort insbesondere Seite 10 erster Absatz, beschrieben. Diese Einrich­ tung setzt mehrere über den Bereich des ersten Bauteils verteilte Temperatursensoren ein, deren Temperatursignale zu einem Signal gemittelt werden, welches die mittlere Temperatur des Bereiches des ersten Bauteils abbildet. Es liegt auf der Hand, daß das zuletzt genannte Signal im Falle gleichmäßiger Temperaturverteilung in dem Bereich dessen wahre Temperatur abbildet.

Da ein Temperatursensor ein kostspieliges Bauelement ist, bedeutet der Einsatz mehrerer Temperatursenso­ ren bei der bekannten Einrichtung einen erheblichen

Aufwand.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu verbilligen und dabei wenigstens im wesentlichen den mit der bekannten Einrichtung erreichten Standard aufrechtzuerhalten.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen sowie ein vorteilhaftes Anwendungsgebiet sind in den Unteransprüchen ange­ geben.

Die Anordnung der mehreren Temperatursensoren auf dem Bereich des ersten Bauteils bedeutet bei der bekannten Einrichtung auch komplizierte Maßnahmen zur baulichen Unterbringung der Temperatursensoren. Demgegenüber bietet die Erfindung den Vorteil einer erheblichen Vereinfachung.

Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung ist sinnge­ mäß, einen Teil des Wärmeinhalts der Bauteile gegenseitig auszutauschen und die sich dadurch im zweiten Bauteil einstellende Temperatur auszuwerten. Im Falle der Erwärmung des ersten Bauteils erfolgt der Wärmeaustausch von diesem auf das zweite Bau­ teil, im Falle der Abkühlung des ersten Bauteils erfolgt der Wärmeaustausch vom zweiten Bauteil auf das erste Bauteil.

Aus diesem Gedanken ergibt sich, daß das zweite Bauteil nicht unbedingt die mittlere Temperatur des ersten Bauteils annehmen muß. Erfindungswesentlich ist, daß die Temperatur des zweiten Bauteils, die der wenigstens eine Temperatursensor erfaßt, für die mittlere Temperatur des Bereichs des ersten Bauteils repräsentativ ist. Mit anderen Worten: Die Erfindung setzt lediglich eine bekannte Abhängigkeit zwischen den Temperaturen der Bauteile voraus. Diese Abhän­ gigkeit kann mit dem absoluten Temperaturniveau und/oder mit der Richtung des Wärmeaustauschs veränderlich sein und theoretisch oder experimentell ermittelt sein. Kommt es bei der Auswertung des Signals der Einrichtung auf den Absolutwert der mittleren Temperatur des Bereichs des ersten Bau­ teils an, so müßte das Signal, gegebenenfalls, mittels einer mit den genannten Abhängigkeiten gespeisten Auswerteeinrichtung ausgewertet werden.

Die Erfindung ist mit jeder Art den Wärmeaustausch ermöglichender Anordnung des zweiten Bauteils zum Bereich des ersten Bauteils möglich. Das zweite Bauteil kann mit dem Bereich des ersten Bauteils in Berührung stehen, beispielsweise durch Federkraft dagegen vorgespannt sein; in diesem Fall findet der Wärmeaustausch im wesentlichen durch Konvektion statt. Die Baugruppe aus dem zweiten Bauteil und dem Temperatursensor kann in diesem Fall als "Konvek­ tionssensor" bezeichnet werden. Das zweite Bauteil kann auch mit Abstand von dem Bereich des ersten Bauteils angeordnet sein; in diesem Fall findet der Wärmeaustausch im wesentlichen durch Strahlung statt. Die Baugruppe aus dem zweiten Bauteil und dem Temperatursensor kann in diesem Fall als "Strah­ lungssensor" bezeichnet werden. Die Einschränkung "im wesentlichen" findet sich im vorstehenden deshalb, weil im praktischen Einsatz die erwähnten Arten des Wärmeaustauschs sich vermischen.

Die Ausgestaltung der Baugruppe aus zweitem Bauteil und Temperatursensor als Strahlungssensor hat den Vorteil, daß dieser gegen Änderungen des Abstands zwischen den Bauteilen ohne besondere Maßnahmen weitgehend unempfindlich ist. Solche Abstandsände­ rungen können beispielsweise in einer Bremse mit einer Bremstrommel oder einer Bremsscheibe als erstem Bauteil durch Verschleiß oder durch Nacharbeit der Bremstrommel bzw. der Bremsscheibe auftreten. Die erwähnte Unempfindlichkeit des Strahlungssensors gegen Abstandsänderungen beruht darauf, daß wegen physikalischer Gesetzmäßigkeiten der durch Strahlung zwischen zwei Flächen ausgetauschte Wärmestrom von dem Abstand dieser Flächen unabhängig ist.

Dadurch daß das zweite Bauteil aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit besteht, können sich die von dem Bereich des ersten Bauteils auf das zweite Bauteil einwirkenden Temperaturen unter­ schiedlicher Höhe in dem zweiten Bauteil schnell ausgleichen, so daß sich in diesem eine gleichmäßige Temperaturverteilung einstellt. Es genügt daher regelmäßig die Erfassung der Temperatur des zweiten Bauteils durch einen Temperatursensor. Nur in besonderen Fällen, beispielsweise zur Sicherung gegen Ausfall des einen Temperatursensors oder bei besonders großen Abmessungen des zweiten Bauteils bzw. des Bereichs des ersten Bauteils, wird die Anordnung eines oder mehrerer zusätzlicher Tempe­ ratursensoren erforderlich sein.

Als Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit kommt beispielsweise Kupfer in Frage.

Besonders wenn die Temperaturen in dem Bereich des ersten Bauteils bzw. deren Verteilung instationär sind, ist es empfehlenswert, die Masse des zweiten Bauteils möglichst gering zu halten, damit dessen Temperaturänderungen weitgehend verzögerungsfrei den (zeitlichen) Temperaturänderungen des Bereichs des ersten Bauteils folgen. In diesem Sinne ist es auch von Vorteil, wenn der Werkstoff des zweiten Bauteils eine geringe spezifische Wärme besitzt. Auch in dieser Hinsicht ist Kupfer als Werkstoff des zweiten Bauteils vorteilhaft.

Was die Abmessungen des zweiten Bauteils im Verhält­ nis zu denen des Bereichs des ersten Bauteils angeht, so können diese auf die Bedürfnisse des jeweiligen Einsatzfalles abgestimmt sein, wodurch sich vom Kosten-/Nutzungsverhältnis her die jeweils optimale Lösung finden läßt. Liegt der Schwerpunkt hingegen in einer möglichst vollständigen Erfassung des gesamten Temperaturprofils bzw. des Temperatur­ reliefs des Bereichs des ersten Bauteils, so bietet die Erfindung zu diesem Zweck zwei Ausgestaltungs­ möglichkeiten, die auch kombiniert werden können. Zum einen kann zu diesem Zweck das zweite Bauteil wenigstens ein einer Richtung den Bereich des ersten Bauteils überdecken. Zum anderen kann wenigstens eines der Bauteile relativ zu dem anderen Bauteil beweglich sein, wobei der Bereich des ersten Bau­ teils bei einer Bewegung vom zweiten Bauteil über­ strichen wird. In einem Beispiel für den letztgenann­ ten Fall steht das zweite Bauteil fest und das erste Bauteil bewegt sich daran vorbei; dabei fahren, sozusagen, das Temperaturprofil bzw. das Temperatur­ relief an dem zweiten Bauteil vorbei und werden von diesem erfaßt.

Ein Anwendungsfall, in dem die zuletzt beschriebenen Ausgestaltungen gemeinsam eingesetzt werden, ist eine Bremse, bei der eine drehbare Bremstrommel oder drehbare Bremsscheibe das erste Bauteil bilden und das zweite Bauteil gegenüber der Drehachse der Bremstrommel bzw. Bremsscheibe ortsfest, beispiels­ weise an einem Bremsträger, angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben, wobei nur soweit der Klarheit halber erforderlich auf die einzelnen Figuren Bezug genom­ men wird.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Einrichtung mit einem Temperatursen­ sor in einer im Längsschnitt dargestellten Trommelbremse,

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A der Fig. 1.

Im Ausführungsbeispiel ist eine Einrichtung mit wenigstens einem Temperatursensor (10) zur Gewinnung eines wenigstens die mittlere Temperatur eines Bereichs eines ersten Bauteils abbildenden Signals in einer Trommelbremse dargestellt, welche aus einer Bremstrommel (8) und zwei darin angeordneten Brems­ backen (3, 7) besteht. Das erste Bauteil wird von der Bremstrommel (8) dargestellt. Die innere Mantelflä­ che der Bremstrommel (8), die beim Bremsen mit den Bremsbacken (3, 7) in Eingriff tritt, deshalb nachstehend Bremsfläche (2) genannt, ist der Bereich des ersten Bauteils, dessen Temperatur durch das mittels der Einrichtung gewonnene Signal abgebildet wird.

Zur Einrichtung gehört ferner ein als Meßschiene (5) ausgebildetes zweites Bauteil, dessen Temperatur der Temperatursensor (10) erfaßt; zu diesem Zweck ist der Temperatursensor (10) in irgendeiner geeigneten und daher nicht näher beschriebenen Weise in der Meßschiene (5) angeordnet. Die Meßschiene (5) besteht aus dem hochwärmeleitfähigen Werkstoff Kupfer und befindet sich innerhalb der Bremstrommel (8) und ist auf einen Wärmeaustausch ermöglichende Weise zur Bremsfläche (2) angeordnet.

Konkret ist die Meßschiene (5) mit Abstand zur Bremsfläche (2) angeordnet, so daß der Wärmeaus­ tausch zwischen Bremsfläche (2) und Meßschiene (5) im wesentlichen durch Strahlung erfolgt. Betrachtet man die Meßschiene (5) mit dem Temperatursensor (10) als eine Baugruppe, so kann diese als "Strahlungssen­ sor (5, 10)" bezeichnet werden.

Die Bremstrommel (8) ist um eine Drehachse (1) drehbar. Die Meßschiene (5) ist zu der Drehachse (1) ortsfest angeordnet, und zwar in einem Stützbock (6), der seinerseits auf irgendeine geeignete Weise an einem zur Drehachse (1) ortsfesten Bremsträger (11) befestigt ist. An dem Stützbock (6) stützen sich die Bremsbacken (3, 7) drehfest ab.

Wie Fig. 2 deutlich zeigt, stimmt die Länge der Meßschiene (5) etwa mit der Tiefe der Bremstrommel (8) überein. Die Meßschiene (5) ist im wesentlichen parallel zur Drehachse (1) der Bremstrommel (8) orientiert. Aus diesen Verhältnissen ergibt sich, daß die Meßschiene (5) wenigstens in einer Richtung den Bereich (Bremsfläche (2)) des ersten Bauteils (Bremstrommel (8)) überdeckt.

Zur Verhinderung eines bzw. Minimierung des Wärmeaus­ tauschs zwischen der Meßschiene (5) und anderen Bauteilen als der Bremstrommel (8) ist die Meßschiene (5) mittels einer Wärmedämmschicht (4) gegenüber dem Stützbock (6) wärmeisoliert.

Infolge ihrer Drehbarkeit stellt die Bremstrommel (8) eines der Bauteile (Bremstrommel (8), Meßschiene (5)) dar, welches relativ zu dem anderen Bauteil beweglich ist, wobei der Bereich (Bremsfläche (2)) des ersten Bauteils (Bremstrommel (8)) bei einer Bewegung (Drehung der Bremstrommel (8)) vom zweiten Bauteil (Meßschiene (5)) überstrichen wird.

Das Ausführungsbeispiel funktioniert bei sich drehender Bremstrommel wie folgt und bei still­ stehender Bremstrommel entsprechend.

Insbesondere beim Bremsen, aber auch beim unge­ bremsten Betrieb bildet sich in der Bremstrommel (8) eine ungleichmäßige Temperaturverteilung aus, die man sich über der Bremsfläche (2) als Temperatur­ relief aufgetragen vorstellen kann. Dieses Tempera­ turrelief läuft bei sich drehender Bremstrommel (8) an der Meßschiene (5) vorbei. Dabei erfolgt ein Wärmeaustausch durch Strahlung zwischen Bremstrommel (8) und Meßschiene (5). Infolge der hohen Wärmeleit­ fähigkeit der Meßschiene (5) bildet sich in dieser eine gleichmäßig verteilte Temperatur aus, die von dem Temperatursensor (10) erfaßt und in ein an dessen Ausgang (12), der durch zwei elektrische Leitungen symbolisiert ist, abgreifbares Signal umgesetzt wird. Da die Temperatur der Meßschiene (5) und die mittlere Temperatur der Bremstrommel (8) in einem bekannten Verhältnis stehen, bildet das Signal des Temperatursensors die mittlere Temperatur der Bremstrommel (8) ab. Dieses Signal kann auf die üblichen und hier nicht näher zu erläuternden Arten, beispielsweise zu Regelungs-, Steuerungs- und Meßzwecken, verwendet werden.

Es liegt auf der Hand, daß in nicht dargestellter Weise die Meßschiene auch die Bremsfläche berührend angeordnet sein kann in welchem Fall die Baugruppe aus Meßschiene und Temperatursensor als Konvektions­ sensor bezeichnet werden kann.

Es liegt auch auf der Hand, daß die Meßschiene in nicht dargestellter Weise auch außerhalb statt innerhalb der Bremstrommel angeordnet sein könnte, in welchem Fall die äußere Mantelfläche der Bremstrom­ mel den Bereich des ersten Bauteils darstellen würde.

In nicht dargestellter Weise können in oder an der Meßschiene auch ein oder mehrere zusätzliche Tempe­ ratursensoren angeordnet sein. Auf diese Weise ließen sich beispielsweise eine erhöhte Betriebssi­ cherheit und/oder eine noch bessere Meßgenauigkeit realisieren.

Im übrigen gelten für das Ausführungsbeispiel die in der Beschreibungseinleitung gegebenen allgemeinen Erläuterungen in entsprechender Anwendung.

Der Fachmann erkennt, daß die vorstehend für eine Trommelbremse gemachten Ausführungen für eine Scheibenbremse entsprechend gelten.

Der Fachmann erkennt auch, daß der Schutzbereich der Erfindung sich nicht auf das Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr umfaßt dieser Schutzbereich alle Ausgestaltungen, die sich den Merkmalen der Patentansprüche unterordnen.

Claims (4)

1. Einrichtung mit wenigstens einem Temperatursensor zur Gewinnung eines wenigstens die mittlere Temperatur eines Bereichs eines ersten Bauteils abbildenden Signals, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweites Bauteil (Meßschiene (5)), dessen Temperatur der Temperatursensor (10) erfaßt, aus einem Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf einen Wärmeaustausch ermöglichende Weise zu dem Bereich (Bremsfläche (2)) des ersten Bauteils (Bremstrommel (8)) angeordnet ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das zweite Bauteil (Meßschiene (5)) wenigstens in einer Richtung (Tiefe der Bremstrom­ mel (8)) den Bereich (Bremsfläche (2)) des ersten Bauteils (Bremstrommel (8)) im wesentlichen überdeckt.

3. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eines der Bauteile (Bremstrommel (8)) relativ zu dem anderen Bauteil (Meßschiene (5)) beweglich ist, wobei der Bereich (Bremsfläche (2)) des ersten Bauteils (Bremstrommel (8)) bei einer Bewegung vom zweiten Bauteil (Meßschiene (5)) überstrichen wird.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Bauteil eine drehbare Bremstrommel oder Bremsscheibe ist und daß das zweite Bauteil (Meßschiene (5)) gegenüber der Drehachse (1) der Bremstrommel bzw. Bremsscheibe ortsfest angeordnet ist.