DE4223453C2 - Temperaturfühler für Oberflächenmessungen mit einer neuartigen Vorrichtung zu seiner Befestigung an der Prüflingsoberfläche - 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 "Temperatur" 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. Dadurch entsteht ein Meßfehler, der sich zum Teil elektro­ nisch kompensieren läßt.

Derartige Tastfühler haben die Eigenschaft, daß sie während der Messung von Hand an den Prüfling gepreßt werden müssen. Damit dabei der optimale Wärmeübergang erzielt wird, muß das Fühlerende exakt plan auf der Prüflingsoberfläche aufliegen. Dies erfordert Erfahrung bei der Handhabung. Langzeitmessun­ gen lassen sich mit diesen Tastfühlern nicht durchführen.

Für letztgenannte Meßaufgaben wurden Fühler vorgeschlagen, bei denen der Sensor, z. B. ein Thermistor oder ein Thermoelement, wärmeleitend in einen Hohlraum eines Dauermagneten eingebet­ tet ist und der Dauermagnet zur Temperaturmessung an der Prüflingsoberfläche angebracht wird. Bei dieser Anordnung ist die thermische Zeitkonstante, nach welcher der gesamte Dauer­ magnet die Temperatur des Prüflings annimmt, sehr groß; außer­ dem ist die maximale Einsatztemperatur dieses Fühlers dadurch begrenzt, daß der Dauermagnet seinen Magnetismus bei etwa 200 Grad C irreversibel verliert.

Oberflächenfühler zum Anschluß an elektronische Temperatur­ meßgeräte sind bekannt und in den Datenblättern folgender Firmen beschrieben:

Testotherm GmbH & Co, D-7825 Lenzkirch:
"Sekunden-Thermometer der Profi-Klasse" Katalog 12.88/1
Magnetfühler für -50 . . . +200 Grad C
Ansprechzeit: 40 s, Auflagefläche 20 mm Durchmesser.

Impac Electronic GmbH, D-6000 Frankfurt/M. 19
Datenblatt "Tastotherm" Profi-Linie Fühlerprogramm NiCr-Ni
Oberflächenfühler mit Handgriff, ohne Magnetbefestigung
Die Fühler müssen von Hand exakt planparallel zur Prüflingsoberfläche fest angepreßt werden.

Ahlborn Meßtechnik, D-8150 Holzkirchen.
System für Temperatur-Meßtechnik "THERM" Katalog 4/92
Fühler Typ T 131 mit Magnetbefestigung für Oberflächenmessung
Hitzebeständig bis 100 Grad C.
Auflagefläche 30 mm Durchmesser.

Dipl.-Ing. F. Siebrecht, Bensheim/Bergstraße. In der Zeitschrift "Automatisierung" vom April 1968 ist ein rein mechanisch arbeitendes Magnet-Haftthermometer mit Anzeiger für -90 . . . +550 Grad C und ca. 60 mm Auflage­ durchmesser angegeben.

In den folgenden Patent- bzw. Gebrauchsmusterschriften sind Temperaturfühler beschrieben:

"Einrichtung Temperaturerfassung" DD 2 18 455 A1. Ein oder mehrere Temperatursensoren sind in einer Vergußmasse eingebettet, die sich in einem magnetisierten Manipermhohlzy­ linder befindet. Der Manipermzylinder sitzt bei der Messung unmittelbar auf der Prüflingsoberfläche.

"Temperatursensor for Measuring the Temperatur of an Engine" US 4,282,754.

Der Fühler besteht aus der Kombination von einem Magneten, einem Temperatursensor, z. B. Thermistor, und einem Gehäuse. Eine Oberfläche des Magneten haftet magnetisch an der Ober­ fläche des Prüflings.

"Temperatur Sensor" JP 60-80731. Eine Magnetscheibe enthält in ihrer Bohrung einen Zylinder aus Epoxy, an dessen Boden ein Widerstandssensor so ange­ bracht ist, daß er durch den Magneten an die Prüflingsober­ fläche gepreßt wird.

"Temperatursensor für Meßobjekte" DE 90 17 685 U1. Der Fühler besteht aus einem Gehäuse und einem Sensor-Einsatz der in direkten Kontakt mit der Prüflingsoberfläche deren Temperatur mißt. Die Anpressung wird dadurch erreicht, daß der Gehäuseinnenraum an eine Unterdruckleitung angeschlossen ist und der Sensor-Einsatz in Richtung Meßobjekt vorgespannt ist.

"Elektrische Temperaturmeßeinrichtung mit auf ferromagneti­ schen Werkstoffen selbsthaftenden Komponenten" DE 31 27 389 A1. Der Temperatursensor dieses Fühlers ist in einem kleinvolumi­ gen Dauermagneten eingebettet; die Sensor-Anschlußleitungen sind zugkraftfrei über einen ebenfalls magnetisch haftenden Leitungshalter verlegt.

"Vorrichtung zur akustischen Meldung einer bestimmten Tempera­ tur eines Kochgutes" DE 30 39 991 A1. Die Vorrichtung besteht aus einem Alarmgerät mit tempera­ turabhängigem Sensor sowie einem Melder. Das Alarmgerät ist mit mindestens einem Magneten zur Anbringung an einem Kochge­ fäß versehen.

Die Beseitigung der Nachteile der bisher verwendeten Tastfüh­ ler, als da sind: hohe thermische Zeitkonstante, umständliche Handhabung, Notwendigkeit der exakt senkrechten Anpressung des Fühlers an die Prüflingsoberfläche sowie zum Teil kompli­ zierte Konstruktion, hat sich die vorliegende Erfindung zum Ziel gesetzt.

Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die kennzeichnenden Merkmale im Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der Unter­ ansprüche.

Gemäß der Erfindung wird ein Temperatursensor unmittelbar auf einer Kontaktscheibe befestigt, vorzugsweise werden die beiden Drähte eines Thermoelementpaares derart auf der­ selben Seite einer Scheibe aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise Kupfer oder Bronze, dicht beieinander ange­ schweißt, daß dadurch ein Thermoelement entsteht. Diese Kontaktscheibe bewirkt bei der Messung den Wärmekontakt mit der Prüflingsoberfläche. Deren Abmessungen sind so klein, wie es die Größe des Sensors, z. B. die Befestigung der Ther­ moelementdrähte, erlauben.

Auf dieser Seite der Kontaktscheibe befindet sich unmit­ telbar anliegend ein Abstandsteil aus einem schlecht wärmeleitenden Material, vorzugsweise aus Keramik oder Sili­ conkautschuk. Das Abstandsteil hat in seiner Mitte eine Bohrung, durch die die Anschlußdrähte für den Sensor geführt sind. Auf dem Abstandsteil sitzt eine runde Dauermagnetschei­ be, die in der Mitte zum gleichen Zweck eine Bohrung besitzt.

Der von der Kontaktscheibe kommende Thermodraht steckt so­ mit in den Bohrungen von Abstandsteil und Dauermagnetscheibe, wodurch er diesen beiden Teilen einen Halt in axialer Rich­ tung gibt. Er tritt am oberen Ende des Abstandsteiles heraus und ist von da ab frei; seine Länge wird der Meßanordnung angepaßt. An seinem Ende wird er mit dem elektronischen Temperaturmeßgerät durch Stecken oder Klemmen verbunden.

Die Dauermagnetscheibe ist in axialer Richtung magnetisiert und besteht aus einem Material, das optimale Magnetisierbar­ keit bei höchstmöglicher maximaler Betriebstemperatur be­ sitzt.

Gut geeignete Materialien für diese Dauermagnetscheibe sind beispielsweise Dauermagnetwerkstoffe aus Seltenen Erden und Kobalt. Sie haben besonders hohe Koerzitivfeldstärken bei gleichzeitig hoher Sättigung und guter Temperaturstabilität. Die maximale Temperatur, bei welcher die magnetischen Eigen­ schaften nicht irreversibel verlorengehen, beträgt 300, unter besonderen Umständen bis zu 400 Grad Celsius.

Soll der Andruck der Kontaktscheibe an die Fühleroberflä­ che erhöht werden, so wird auf die Dauermagnetscheibe oben eine weitere, gleiche aufgesetzt.

Es ist überhaupt ein Vorteil des der Erfindung zugrunde liegenden Fühlerprinzips, daß der Fühler aus austausch- und ergänzbaren Einzelteilen besteht. Dies erleichtert und ver­ billigt Herstellung und Reparatur.

Das magnetische Feld der Dauermagnetscheibe, dessen Feldlini­ en senkrecht in die magnetisierbare Prüflingsoberfläche eintreten, bewirkt, daß die Wärmekontaktscheibe automatisch exakt plan aufliegt.

Um Beschädigungen der spröden Dauermagnetscheiben zu vermei­ den, sind sie bei Fühlern, die erhöhten mechanischen Bean­ spruchungen ausgesetzt werden, durch einen dünnen Überzug geschützt.

Das wärmeisolierende Abstandsteil, z. B. ein Siliconkautschuk­ schlauch oder ein Keramikröhrchen, bewirkt auch, daß die Dauermagnetscheibe erst nach einer längeren Zeit als not­ wendigerweise eine Tastmessung dauert, die Temperatur des Prüflings annimmt. Somit läßt sich der erfindungsgemäß vorge­ schlagene Fühler kurzzeitig oberhalb von 300 Grad Celsius verwenden, obwohl die Magnetscheibe nur 300 Grad Celsius verträgt. Darüber hinaus verliert sie ihren Magnetismus.

Die Messung der Oberflächentemperatur wird in der Praxis mit Tastfühlern nur bis zu ca. 700 Grad Celsius durchgeführt. Oberhalb von ca. 700 Grad C ist der Wärmeübergang zwischen Prüfling und Fühler zu schlecht, weshalb dann Infrarot- Strahlungspyrometer verwendet werden müssen.

In Fällen, in denen die Prüflingstemperatur die von der Dauermagnetscheibe tolerierte Temperatur (vorzugsweise bis 300 oder 400 Grad C) nicht überschreitet und/oder keine geringe thermische Zeitkonstante gefordert ist, hat das Abstandsteil nur eine sehr geringe Länge.

Die Einzelteile des beschriebenen Fühlers werden am Ende der Dauermagnetscheibe, beispielsweise durch eine kleine Draht­ klammer oder einen Sprengring, der den Thermodraht um­ schließt, zusammengehalten.

Bei erfindungsgemäßen Fühlern, die für kurzzeitige Tastmes­ sungen verwendet werden, besteht der Thermoelementdraht aus zwei gegenseitig isolierten Massivdrähten, die vorzugsweise mit Glasseide umsponnen sind und steif genug sind, daß eine Handhabung ohne einen weiteren Handgriff möglich ist. Bei Fühlern für Langzeitmessungen wird daran anschließend dünner, flexibler Thermoelementdraht oder eine Ausgleichsleitung verwendet, da diese sich leichter verlegen lassen.

Sollen die beschriebenen Fühler an nichtmagnetisierbaren Prüflings-Materialien, z. B. an Aluminium, Kupfer oder Kunst­ stoffen u. a. verwendet werden, so erfolgt deren Befestigung dadurch, daß auf der Gegenseite der zu messenden Oberfläche, genau unter der Wärmekontaktscheibe des Fühlers, ein Dauer­ magnet, z. B. der gleiche wie er im Fühler verwendet ist, angebracht wird.

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

In Fig. 1 ist schematisch der Aufbau eines Oberflächen-Temperaturfühlers gezeigt. Mit diesem wird die Oberflächentemperatur des Prüflings (1) gemessen. Als Sensor ist ein Thermoelement eingesetzt.

Der Thermodraht (2) besteht vorzugsweise aus je einem Masivdraht 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) aufgeschweißt. Sie bilden somit eine Ther­ moelement-Meßstelle (4). Die Kontaktscheibe (3) besteht vorzugsweise aus Bronzeblech von 0,5 mm Dicke mit einem Durchmesser von 5 mm.

Der Außendurchmesser des auf der Kontaktscheibe (3) sitzenden Abstandsteiles (5) aus Siliconkautschuk oder aus Keramik oder aus der Kombination beider Materialien beträgt 5 mm, die Höhe 4 mm; es hat eine zentrische Bohrung von 2,5 mm.

Die auf dem Abstandsteil (5) sitzende Dauerma­ gnetscheibe (6) mit 10 mm Außendurchmesser, 4 mm Höhe und einer zentrischen Bohrung von 3 mm besteht vorzugsweise aus Selten-Erd-Kobalt-Material wie z. B. VACOMAX 225 HR der Firma Vacuumschmelze Hanau. Die Dauermagnetscheibe (6) ist in axialer Rich­ tung magnetisiert.

Der Thermodraht (2) liegt mit etwas Spiel in der 3 mm-Boh­ rung, so daß die ohnehin durch dessen Glasseide-Isolierung gegebene Wärmeisolierung noch vergrößert wird. Dies senkt ebenfalls die thermische Zeitkonstante des Fühlers. Den Zusam­ menhalt zwischen der Kontaktscheibe (3), dem Abstandsteil (5) und der Dauermagnetscheibe (6) bewirkt eine Drahtklammer (7).

Fig. 2 zeigt einen Fühler nach Fig. 1, der zum Schutz gegen Umkippen mit einem Hohlzylinder (8) umgeben ist, der das Ab­ standsteil (5) und den Dauermagneten (6) umschließt. Er endet etwa 1 mm oberhalb der Kontaktscheibe (3).

In Fig. 3 ist schematisch die Vorrichtung gezeigt, durch welche die Befestigung des beschriebenen Fühlers an nichtmagnetisierbaren Prüflingen (10) bewirkt wird. Dieser Fühler (9), konstruiert nach Fig. 1 und/oder Fig. 2, ist auf der zu messenden Oberfläche des Prüflings (10) angeord­ net. Auf der Gegenseite wird genau unter der Kontaktscheibe des in Fig. 1 gezeigten Fühlers ein Haltemagnet (11) ange­ legt, der mit der in Fig. 1 gezeigten Dauermagnetscheibe (6) identisch ist. Der Anpreßdruck des Fühlers (9) ist u. a. von der Dicke des Prüflings abhängig. Sollte dieser Druck mit der oben beschriebenen Anordnung zu gering sein, so wird zur Verstärkung der Magnetkraft auf den Haltemagnet (11) ein zweiter oder auch ein dritter aufgesetzt.

Claims (8)

1. Temperaturfühler für Oberflächenmessungen mit einem Sen­ sor, der auf einer wärmeleitenden Kontaktscheibe befestigt ist und sich an elektronisch arbeitende Tempera­ turmeßgeräte anschließen läßt, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktscheibe (3) über ein wärmeisolierendes Abstands­ teil (5), das aus Keramik und/oder Silikonkautschuk besteht, mechanisch mit einem in axialer Richtung magnetisierten Dauermagneten (6) aus Seltene-Erden-Kobald- Material verbunden ist und die Kontaktscheibe (3), das Ab­ standsteil (5) und der Dauermagnet (6) axial hintereinander angeordnet sind.

2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Thermoelement oder ein PT 100-Wider­ stand oder ein NTC-Widerstand oder ein Thermistor, der die physikalische Größe Temperatur in eine elektrische Größe umformt, ist.

3. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor ein Thermoelement ist, dessen beide Thermo­ drahtenden unmittelbar nebeneinander auf der wärmeleiten­ den Kontaktscheibe (3) aufgeschweißt oder aufgelötet sind.

4. Temperaturfühler nach den Ansprüchen 1, 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandsteil (5) aus einem Hohlzy­ linder aus Keramik und daran anschließend einem Hohlzylin­ der aus flexiblem Siliconkautschuk besteht.

5. Temperaturfühler nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Dauermagnet (6) aus pul­ vermetallurgisch hergestelltem Material auf der Basis Seltene-Erden Co5 besteht.

6. Temperaturfühler nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Befestigung des Fühlers an nichtmagnetisierbaren Prüflingen (10) an der dem Fühler abgewandten Seite der Prüflingsoberfläche ein Haltemagnet (11) angebracht ist, der gemeinsam mit dem im Fühler befindlichen Dauermagneten (6) die Anpressung des Fühlers bewirkt.

7. Temperaturfühler nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor mit Kontaktscheibe (3), das wärmeisolierende Abstandsteil (5) sowie der Dauermag­ net (6) von einem Hohlzylinder (8) aus schlecht wärmelei­ tendem Material, vorzugsweise Keramik oder Silicon­ kautschuk, umhüllt ist.

8. Temperaturfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß am Hohlzylinder (8) Anschlußklemmen für die Verbindung zwischen der Anschlußleitung zum Sensor und der Verbin­ dungsleitung zum Meßgerät angebracht sind.