DE4223440A1 - Temperaturfühler für Oberflächenmessungen - Google Patents

Description

Bekannt sind Temperaturfühler zur Messung von Oberflächentem­ peraturen, die als Sensoren Thermoelemente, Widerstandsther­ mometer (PT 100), NTC-Widerstände, Thermistoren oder andere Wandler, welche die physikalische Größe "Wärme" in eine elektrische Größe umformen, enthalten. Dabei befinden sich die o.a. Sensoren an der Tastspitze eines Schutzrohres. Dieses Rohr, das oft mit einem Handgriff versehen ist, wird mit seiner flach ausgebildeten Spitze auf den Prüfling ge­ drückt, wodurch der jeweilige Sensor nach einer gewissen Zeit die Temperatur des Prüflings annimmt.

Diese Tastfühler sollen eine möglichst geringe Masse, (gering gegenüber dem Prüfling), haben, da diese Masse durch den Prüfling erwärmt werden muß, wodurch die Prüflings­ temperatur mehr oder weniger absinkt. Dadurch entsteht ein Meßfehler, der sich zum Teil elektronisch kompensieren läßt.

Derartige Tastfühler haben die Eigenschaft, daß sie während der Messung von Hand an den Prüfling gepreßt werden müssen. Um optimalen Wärmeübergang zu erzielen, muß das Fühlerende zudem exakt plan auf der Prüflingsoberfläche aufliegen. Dies erfordert viel Erfahrung bei der Handhabung.

Einen besseren Wärmekontakt mit der Prüflingsoberfläche bieten die sog. Bändchenfühler, bei denen ein Thermoelement verwendet wird, das als flaches Band ausgebildet ist. Dieses Band ist leicht gekrümmt und steht unter Vorspannung. Bei der Messung wird es entgegen der Vorspannung an den Prüfling gedrückt. Diese Fühler haben große Abmessungen, sind kon­ struktiv aufwendig, daher teuer und zudem nur bis 300 Grad C einsetzbar.

Tastfühler zum Anschluß an elektronische Temperaturmeßgeräte sind als solche bekannt und u. a. beschrieben in den Daten­ blättern der Firmen:
Testotherm GmbH & Co, D-7825 Lenzkirch
Impac Electronic GmbH, D-6000 Frankfurt/M. 19
Ahlborn Heßtechnik, D-8150 Holzkirchen.

Die Beseitigung der Nachteile der bisher bekannten Tastfüh­ ler, als da sind: hohe thermische Zeitkonstante, umständliche Handhabung und Notwendigkeit der exakt senkrechten Anpressung des Fühlers an die Prüflingsoberfläche durch den Bediener hat sich die vorliegende Erfindung zum Ziel gesetzt.

Gemäß der Erfindung wird ein Temperatursensor, z. B. ein PT- 100-Widerstand, ein Thermistor oder ein Thermoelement unmit­ telbar auf der Wärmekontaktscheibe befestigt. Diese Scheibe bewirkt den guten Wärmekontakt mit der Prüflingsoberfläche, sie ist dünn und hat kleinen Durchmesser und somit geringe Masse, was eine niedrige thermische Zeitkonstante verursacht.

Vorzugsweise werden die beiden Drähte eines Thermoelementpaa­ res derart auf derselben Seite der erwähnten Wärmekontakt­ scheibe aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise Kupfer oder Bronze, dicht beieinander angeschweißt, so daß dadurch ein Thermoelement entsteht.

Auf dieser Seite der Kontaktscheibe befindet sich unmittelbar daran anliegend ein Abstandsteil aus einem schlecht wärmelei­ tenden Material, z. B. aus Keramik und/oder Siliconkautschuk. Die Wärmeisolation zwischen Kontaktscheibe und Fühlerhand­ griff bewirkt wieder die geringe thermische Zeitkonstante und damit kurze Anstiegszeit dieses Fühlers. Das Abstandsteil ist vorzugsweise als Zylinder mit einer zentrischen Bohrung zur Durchführung der Thermoelementdrähte oder der Anschlußdrähte zum Sensor ausgeführt. An seinem der Kontaktscheibe entgegen­ gesetzten Ende ist der Fühlerhandgriff befestigt.

Der von der Kontaktscheibe kommende Thermodraht tritt am oberen Ende des Fühlergriffes aus diesem heraus und ist von da ab freie seine Länge wird der Meßanordnung angepaßt. Außerhalb des Fühlergriffes ist alternativ zum Thermoelement­ draht Ausgleichsleitung verwendet, die im Inneren des Füh­ lergriffes mit den Thermodrähten elektrisch verbunden ist. An Ende der Drähte befindet sich vorzugsweise ein Stecker, der bei der Messung die Verbindung zum Temperaturmeßgerät herstellt.

Das Abstandsteil aus Siliconkautschuk ist elastisch, weshalb die Wärmekontaktscheibe auch dann plan an der Prüflingsober­ fläche anliegt, wenn der gesamte Fühler schräg und nicht exakt senkrecht auf den Prüfling gedrückt wird.

Soll dieser erfindungsgemäße Oberflächentemperatur-Fühler oberhalb der zulässigen Maximaltemperatur für Siliconkaut­ schuk, d. h. 300 oder 400 Grad C, verwendet werden, so besteht das Abstandsteil bei dieser Fühlervariante aus Keramik. Um auch bei diesem Fühlertyp ein schräges Andrücken zu ermögli­ chen, ist zwischen dem Ende der Keramik-Abstandsteiles und dem Fühlerhandgriff ein kleines Kugelgelenk eingebaut.

Eine weitere Ausführung des Abstandsteiles besteht aus einem Hohlzylinder aus Siliconkautschuk, der an seiner der Kontakt­ scheibe zugewandten Seite mit einem Hohlzylinderstück aus Keramik verbunden ist. Dadurch wird hohe Einsatztemperatur mit Flexibilität verbünden.

Eine andere Variante des erfindungsgemäßen Oberflächenfühlers enthält ein Abstandsteil aus elastischem und schlecht wärme­ leitenden Siliconkautschuk, auf das an der Tastseite eine dünne Schicht aus gut wärmeleitendem Siliconkautschuk aufge­ bracht ist. Das Abstandsteil hat eine zentrische Bohrung, durch die der Sensor-Anschlußdraht, vorzugsweise ein Thermo­ draht-Paar, gesteckt ist.

Die am Ende des Abstandsteils befindliche Thermoelementperle ist nach der Tastseite hin flach ausgebildet und in den gut wärmeleitenden Siliconkautschuk eingebettet. Eine Wärmekon­ taktscheibe ist in diesem Fall nicht vorhanden, weshalb diese Ausführung eine besonders kleine thermische Zeitkonstante aufweist.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung können den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen entnommen werden.

In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau eines erfindungsgemäßen Oberflächen-Temperaturfühlers gezeigt. Mit diesem soll die Oberflächentemperatur des Prüflings 1 gemessen werden. Als Sensor wird ein Thermoelement eingesetzt. Der Thermodraht 2 besteht vorzugsweise aus je einem Massivdraht aus Nickel und Chromnickel, Typ K, gegenseitig und gemeinsam mit Glasseide umsponnen, mit einem Außendurchmesser von 2,5 mm. Die kurz abisolierten freien Drahtenden sind unmittelbar nebeneinander in der Mitte auf die kreisrunde Kontaktscheibe 3 aufge­ schweißt. Sie bilden somit eine Thermoelement-Meßstelle 4. Die Scheibe besteht vorzugsweise aus Bronzeblech von 0,5 mm Dicke mit einem Durchmesser von 5 mm.

Der Außendurchmesser des auf der Kontaktscheibe sitzenden Abstandsteiles aus Siliconkautschuk 5 beträgt 5 mm, die Höhe 20 mm; es hat eine zentrische Bohrung von 2,5 mm. Auf den oberen Teil des Abstandsteile 5 ist über eine Länge von 10 mm der Fühlerhandgriff 6 aufgeschoben und vorzugsweise verklebt. Der Fühlerhandgriff besteht aus Kunststoff. Er besitzt eine durchgehende, zentrische Bohrung von 2,5 mm; an einem Ende ist diese Bohrung über eine Länge von 10 mm auf 5 mm erwei­ tert. Dort ist das Abstandsteil eingesteckt. Der Thermodraht 2 ist im oberen Ende des Fühlerhandgriffs mit Ausgleichsleitung 7 verbunden, die aus dem Fühler heraustritt und nach vorzugs­ weise 3 m einen Stecker zum Anschluß an ein elektronisches Temperaturmeßgerät enthält.

Fig. 2 zeigt eine Variante des beschriebenen Fühlers, bei welcher das Abstandsteil 5 aus Keramik gefertigt ist. Am oberen Ende des Keramikteils ist dieses mit einem kleinen Kugelgelenk 8 verbunden, an dessen anderem Ende der Fühler­ handgriff 6 befestigt ist.

Fig. 3 zeigt eine Variante des beschriebenen Fühlers, bei welcher das Abstandsteil 5 wie in Ausführung nach Fig. 1 aus nichtwärmeleitenden Silikonkautschuk besteht, an dessen einem Ende jedoch eine wärmeleitende Siliconkautschukschicht 9 aufgebracht ist, in die das nicht kugelförmig, sondern flach ausgebildete Thermoelement 10 wärme- und kraftschlüssig eingebettet ist.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung des nach Fig. 1 beschriebenen Oberflächenfühlers, bei der auf der Kontaktscheibe 3 ein Abstandsteil aus Keramik 11 sitzt, auf dem kraftschlüssig ein Hohlzylinder 12 aus flexiblen, wärmeisolierendem Siliconkautschuk aufgeschoben ist.

Claims (7)

1. Temperaturfühler zur elektrischen Messung der Oberflächen­ temperatur von Gegenständen aller Art, der einen Sensor enthält, welcher die physikalische Größe Temperatur in eine elektrisch meßbare Größe umformt, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der erwähnte Sensor wärmeleitend und kraftschlüssig mit einer wärmeleitenden Kontaktscheibe (3), die eine kleine Masse hat, verbunden ist, auf der ein flexibles, schlecht wärmeleitendes Verbindungsteil (5) sitzt, das an seiner, der Kontaktscheibe abgewandten Seite mit dem Handhabungs- oder Befestigungsteil (6) des gesamten Tempe­ raturfühlers mechanisch verbunden ist.

2. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schlecht wärmeleitende, flexible Verbindungsteil ein Hohlzylinder (5) ist, der aus einem in allen Richtun­ gen flexiblen Material, vorzugsweise aus Siliconkautschuk besteht.

3. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schlecht wärmeleitende, flexible Verbindungsteil aus einem Hohlzylinder (11) aus Keramik und daran befe­ stigt, einem Hohlzylinder (12) aus Siliconkautschuk besteht.

4. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß das flexible Verbindungsteil aus der mechanischen Kombination zwischen einem starren Abstandsteil (5) aus schlecht wärmeleitendem Material, z. B. aus Keramik und einem Kugelgelenk (8) besteht.

5. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (10) in einer zentrischen Bohrung exakt an dem zum Tasten bestimmten Ende des aus vorzugsweise schlecht wärmeleitendem Siliconkautschuk bestehenden Verbindungsteils (5) sitzt und mit gut wärmeleitendem Siliconkautschuk (9) dort verklebt oder verbun­ den ist.

6. Anspruch nach 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Thermoelement ist.

7. Anspruch nach 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Thermoelement ist, bei dem die beiden Thermodrähte derart zusammengeschweißt oder -gelötet sind, daß die Thermoelementperle an der den Thermo­ drähten abgewandten Seite in einer flachen Scheibe endet, die exakt bündig mit dem zum Tasten bestimmten Ende des Verbindungsteils (5) abschließt.