Temperaturfühler mit temperaturempfindlichem elektrischem Element Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler mit temperaturempfindlichem, elektrischem Element, vorzugsweise Halbleiterelement.
Es ist eine Ausführung eines solchen Tempera turfühlers bekannt, bei dem eine Scheibe aus. Halb leitermaterial thermisch und elektrisch leitend mit einer quadratischen, allseitig vorstehenden Grund platte zum Aufschrauben auf ein zu messendes Ob jekt verbunden ist. Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass eine thermische Ankopplung nur auf einer Stirnfläche des Widerstandselementes ge währleistet ist, nämlich auf derjenigen, welche un mittelbar mit der Grundplatte verbunden ist. Ein weiterer Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass das Widerstandsmaterial mit dem zu messenden Objekt elektrisch leitend verbunden ist und somit das Potential des letzteren annimmt, was leicht zu Messungenauigkeiten führen kann.
Eine andere bekannte Ausführung eines solchen Temperaturfühlers weist als Messelement eine im Zentrum gelochte Scheibe aus Halbleitermaterial auf, die mittels einer Hohlniete und unter Zwischenlage je einer Isolierscheibe stirnseitig einerseits mit einem ebenfalls scheibenförmigen, nicht vorstehenden Kon taktglied und anderseits mit einer tellerförmigen, teil weise federnden Scheibe zusammengespannt ist, wo bei das Kontaktglied aus wärmeleitendem Material besteht und stirnseitig in thermischem Kontakt an ein Objekt befestigt werden kann, dessen Temperatur zu messen ist.
Ein Nachteil der zuerst beschriebenen Ausführung ist hier behoben, da das Widerstands element sich nicht mehr in elektrisch leitender Ver bindung mit dem zu messenden Objekt befindet, in dem die Widerstandsscheibe von den stirnseitig an gebrachten Stromzuführungen elektrisch isoliert ist. Hingegen ist die thermische Ankopplung begrenzt, da die für einen Wärmetransport massgebende Fläche der elektrischen Isolation höchstens gleich der Stirn- fläche des Widerstandselementes gemacht werden kann.
Es liegt jedoch auf der Hand, dass die Güte der thermischen Ankopplung des temperaturempfind lichen Elementes, von der die Trägheit und Belast barkeit des Temperaturfühlers abhängig ist, weit gehend durch die Dimension und Beschaffenheit der in diesem Fall am Wärmetransport unmittelbar betei ligten Isolationsschicht bestimmt wird.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Beseiti gung der Nachteile dieser bekannten Ausführungen sowie eine Verbesserung der thermischen Ankopp- lung des temperaturempfindlichen Elementes, wo durch die Trägheit verkleinert und eine bessere Be lastbarkeit des Fühlers erreicht wird, und zwar auch dann, wenn die thermische Ankopplung durch Wärmeleitung erfolgt und letztere über eine elek trische Isolierschicht stattfindet.
Diese Vorteile werden dadurch erreicht, dass sich das temperaturempfindliche Element in unmittel barem thermischem und elektrischem Kontakt mit mindestens zwei Wärmeverteilgliedern befindet und die im Zuge der thermischen Verbindung mit dem zu überwachenden Medium liegende wirksame Ober fläche dieser Wärmeverteilglieder ein Mehrfaches der Kontaktfläche zwischen diesen und dem temperatur empfindlichen Element bildet. Auf diese Weise wird an sich eine vergrösserte Wärmeaustauschfläche er zielt, als das temperaturempfindliche Element auf weist, und im Falle, dass eine elektrische Isolierung des Elementes notwendig ist,
kann für diese eine grössere Fläche vorgesehen werden, wodurch der Wärmeaustausch gefördert wird.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Raumtemperaturfühler, Fig. 2 einen Längsschnitt eines Fühlers zur Mes sung der Temperatur von Flüssigkeiten, Fig.3 einen Querschnitt eines solchen Fühlers und Fig. 4 einen wärmeempfindlichen Fühler.
In der Fig. 1 ist ein temperaturempfindliches Ele ment 1 aus Halbleitermaterial zwischen Schenkeln 2 von L-förmig gebogenen Wärmeverteilgliedern 3 an gebracht und mittels Schrauben 4, die mit Isolier tüllen 5 versehen sind, eingeklemmt. Die Schenkel 6 der Wärmeverteilglieder 3 sind mit Lappen 7, die zum Anschluss von nicht gezeichneten Stromzufüh- rungsdrähten dienen, versehen und mit Hilfe einer isolierenden Schicht 8 an der Wandung eines Ge häuses 9 angeklebt.
Die Wärmeverteilglieder 3 können aus einem gut wärmeleitenden Material, z. B. Kupfer, und das Ge häuse 9 aus Leichtmetall mit anodisch oxydierter Oberfläche angefertigt sein. Die auf der isolierenden Schicht 8 aufliegende Fläche der Schenkel 6 der Wärmeverteilglieder 3 kann so gross gewählt werden, dass sich gegenüber einer Ausführung, bei der die Isolation direkt am Widerstandselement liegt, eine um das 10-20fache vergrösserte Wärmeaustausch fläche und damit eine um ungefähr den gleichen Betrag bessere thermische Ankopplung ergibt.
Dies ist besonders wichtig zur Vermeidung des störenden Einflusses der vom Messstrom hervorgerufenen Eigen erwärmung von Widerstandselementen und ermög licht bei einer gewissen zugelassenen Eigenerwär mung die Verwendung grösserer Messströme, d. h. eine grössere Belastbarkeit der Widerstandselemente.
In den Fig. 2 und 3 ist ein temperaturempfind liches Element 10 zwischen zwei plattenförmigen Wärmeverteilgliedern 11 angebracht, deren Enden 12 als Lötfahnen für den Anschluss von Stromzufüh- rungsdrähten 13 ausgebildet sind.
Die Wärmeverteil- glieder 11 umgreifen vermittels je zweier Lappen 14 über aus Kunststoffolien bestehende Isolierschichten 15 Wärmekontaktstege 16, die, aus gut wärmeleiten dem Material ausgeführt, die thermische Verbindung zu einem Fühlerrohr 17 vermitteln und zwecks Er zielung eines thermisch guten Kontaktes mit diesem verlötet sind.
Die Wärmekontaktstege 16 sind an den Längsseiten derart abgebogen, dass sie im einge bauten Zustand über die Wärmeverteilglieder 11 einen Druck auf das temperaturempfindliche Ele ment 10 ausüben, der durch die Wirkung von Blatt federn 18 noch erheblich erhöht wird. Auf diese Weise wird ein hinreichend guter thermischer und elektrischer Kontakt zwischen dem temperaturemp findlichen Element 10 und den Wärmeverteilgliedern 11 erzielt.
Das Rohr 17 ist durch einen Deckel 19 und einen Gewindenippel 20 an beiden Enden dicht verschlos sen. Die so gebildete Fühlerpatrone befindet sich lose, mit einem Laufsitz entsprechender Passung, in einem Schutzrohr 21, das mit einem Verschlussdeckel 22 versehen ist. Ein solches Schutzrohr ermöglicht die Auswechslung der Fühlerpatrone ohne dass eine Ent leerung von Kesseln oder Rohrleitungen, an denen der Fühler angebracht ist, notwendig wird.
Um die relativ enge Passung zwischen Schutzrohr 24 und Fühlerpatrone durch spanabhebende Bearbeitung her stellen zu können, ist der Mantel des Schutzrohres 21, wie in Fig.2 angedeutet, im Bereiche des Fühler rohres 17 auf einen kleineren Durchmesser einge zogen. Der verhältnismässig grosse Luftzwischenraum zwischen dem Rohr 17 und dem Schutzrohr 21 ist bei der beschriebenen Ausführungsform deshalb möglich, weil durch die grossen Oberflächen der Wärmeverteil- glieder 15 eine sehr gute Wärmeübertragung erzielt wird.
. Bei dem beschriebenen Temperaturfühler sind die Wärmeverteilglieder mit Vorteil als L-förmig gebo gene oder ebene Platten ausgeführt und der erforder liche thermisch und elektrisch gute Kontakt zwischen den Stirnflächen des temperaturempfindlichen Ele mentes und den Wärmeverteilgliedern kann durch Federdruck, Schraub- oder Lötverbindung erzielt werden. Bei Federdruck oder Schraubverbindung ist es vorteilhaft, die Kontaktfläche mit einem elektrisch und thermisch leitfähigen, plastischen Material, z. B. einer Zinn- oder Bleifolie, zu versehen.
Den Wärmeverteilgliedern der Ausführungsform gemäss den Fig. 2 und 3 sind zwecks Erzielung eines guten thermischen Kontaktes mit der Wandung eines das temperaturempfindliche Element vor äusseren Einflüssen schützenden Gehäuses Wärmekontaktsteae aus gut leitendem Material nachgeschaltet.
Zur Erzielung eines guten thermischen Kontaktes zwischen den Wärmeverteilgliedern oder den Wärme kontaktstegen und dem Gehäuse ist zu deren elek trischer Isolierung mit Vorteil ein Material zu ver wenden, das sich durch hohe Temperaturbeständig keit und hohe elektrische Spannungsfestigkeit aus zeichnet, damit die zur Erreichung der im allge meinen erforderlichen elektrischen Durchschlagspan nung benötigte Isolationsschicht möglichst dünn ge halten werden kann. Als Isolationszwischenlage kann Glasgewebe, Kunstharz, wie z. B. Polyäthylen, Poly- tetrafluoräthylen, Siliconmaterial usw., verwendet werden.
Eine Möglichkeit der Isolierung und gleich zeitigen Befestigung besteht darin, das Wärmeverteil- glied an den anliegenden, von ihm elektrisch zu iso lierenden Teil mit einem klebefähigen Isoliermaterial, z. B. auf Kunstharz- oder Siliconbasis, anzukleben. Dabei kann entweder das Wärmeverteilglied und/oder der anliegende Teil aus Leichtmetall hergestellt wer den, dessen Oberfläche an der zu isolierenden Stelle anodisch oxydiert und mit einem Isoliermittel im prägniert ist. Mit Vorteil kann das Klebemittel, z. B. Äthoxylinharz, zum gleichzeitigen Kleben und Im prägnieren verwendet werden.
Das in der Fig. 1 ge zeichnete temperaturempfindliche Element mit den L-förmigen Wärmeverteilplatten kann statt in einem Gehäuse untergebracht zu werden unter Zwischen- Schaltung einer dünnen Isolierschicht auf der Aussen wand einer Rohrleitung aufgeklebt oder daran auf eine andere Art befestigt werden.
In der Fig. 4 ist eine Ausführungsform des Tem peraturfühlers dargestellt, bei welcher eine besondere Isolierschicht am Wärmeverteilungsglied nicht vorge sehen ist. Dies ist bei dieser Ausführungsform des halb nicht nötig, weil das Medium, dessen Tempera tur zu überwachen ist, selbst isolierende Eigenschaf ten aufweist, wie z. B. Gase und elektrisch isolierende Flüssigkeiten. Die vergrösserten, wirksamen Oberflä chen erhöhen in diesem Fall den Wärmeübergang durch die schlecht leitende laminare Grenzschicht, die an den Oberflächen auftritt und erhöhen ferner auch die Wärmeübertragung durch Strahlung.
Das temperaturempfindliche Element 23 ist mit zwei plat- tenförmigen Wärmeverteilgliedern 24 versehen, deren wirksame Oberflächen ein Mehrfaches der Kontakt flächen zwischen ihnen und dem temperaturempfind lichen Element beträgt. Das temperaturempfindliche Element 23 ist mit den beiden Wärmeverteilgliedern 24 durch Löten verbunden und mit Stromzuleitungen 25 versehen. Beide Wärmeverteilglieder 24 sind der Wärmeeinwirkung ausgesetzt und eines von ihnen dient der Befestigung der Anordnung auf einer elek trisch isolierenden Unterlage 26. Die Erfindung ist weder an Halbleiterelemente noch an Widerstands elemente überhaupt gebunden.
Sie kann sinngemäss auch bei temperaturempfindlichen Elementen, die wärmebedingte Änderungen anderer -elektrischer Ei genschaften von Stoffen, z. B. der Ferroelectrica, aus nützen, angewendet werden.