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Die
Erfindung betrifft eine Messanordnung zur Bestimmung der Temperatur,
der Feuchte und anderer physikalischer Größen gemäß der Gattung der Patentansprüche, bei
der auch Widerstandsthermometer als Temperatursensoren und Elektroden
als Feuchtesensoren verwendet werden können. Sie ist vorzugsweise
zur Messung der Temperatur- und/oder
Feuchteverhältnisse
in einem festen Körper oder
einem festen Material entlang einer Bohrung bestimmt.
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Bekanntlich
gibt es elektrische Thermometer in den verschiedensten Ausführungsformen
zur Messung der Temperatur in und an festen Körpern. Bei der Temperaturmessung
mit Hilfe solcher Thermometer ist es wichtig, einen unmittelbaren
Kontakt zwischen einem Sensor eines Thermometers und dem zu messenden
Körper
herzustellen. Dies kann bspw. durch Andrücken des Sensors an den Körper mittels Federn
geschehen, siehe
DE
4217389 A1 . Mit Hilfe von Blattfedern oder anderen federnden
Elementen werden Temperatursensoren an eine hinsichtlich ihrer Temperatur
zu vermessende Fläche
oder ein Bauteil gepresst, dessen Temperatur zu bestimmen ist. Bei
der Temperaturmessung an der Wandung in Hohlräumen werden einsteckbare Temperaturfühler benutzt,
die mit Hilfe von Schraub- oder Spiralfedern kontaktiert werden.
Einschweiß-
und Einschraubtemperaturfühler
sind mit Temperaturmesseinsätzen ausgestattet,
die federnd angebracht sind. Bspw. ist ein Messeinsatz bekannt,
der mittels zweier Federn und zweier Niethülsen auf den Boden eines Anschlusskopfes
gedrückt
wird.
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Zur
Ermittlung des Wärmedurchgangswertes einer
Wand sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, bei denen das Innere
der Wand durch ein Heizelement erhitzt werden muss, das in eine
Bohrung in der Wand eingebracht wird, siehe
DE 4333482 A1 . Hierbei wird
die Temperatur der Wandfläche
in einem bestimmten Abstand zum Heizelement als Funktion der Zeit
ermittelt.
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Es
ist auch ein Verfahren bekannt, bei dem die Temperaturmesseinrichtung
an der Innenseite bzw. Wärmeseite
eines Baukörpers
angebracht ist. Auf der anderen Seite des Baukörpers befindet sich ein regelbarer
flächiger
Heizkörper.
Auf Grund des durch die Beheizung aufgebrachten Temperaturgefälles ist
mit dieser Anordnung eine Bestimmung des Wärmedurchgangswiderstandes des
Baukörpers möglich.
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Die
Nachteile der bekannten Anordnungen zur Messung der Temperatur von
Bauwerken ist darin zu sehen, dass vor allen Dingen in Hohlräumen, speziell
Bohrungen, im Inneren von Bauwerken mit ihnen ein hinreichender
Kontakt zu den Seitenwänden schlecht
herstellbar ist und dass darüber
hinaus die Bestimmung von Temperaturprofilen in solchen Hohlräumen und
deren Wandungen nur mit hohem Aufwand und relativ geringer Genauigkeit
möglich
ist.
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Die
DE 200 05 722 U1 offenbart
eine Vorrichtung zur Temperaturmessung im Boden, bei der in einem
mit Durchbrechungen versehenen Auskleidungsrohr eine Stabsonde bewegbar
und orientierbar angeordnet ist. Auf der Stabsonde sind radial federnd
und korrespondierend zu den Durchbrechungen Sensoren vorgesehen,
die zur Temperaturmessung in die Durchbrechungen gedrückt werden.
Infolge der Anbringung der Sensoren und ihrer radialen Wirkungsweise,
können
diese in Abhängigkeit
von der Boden- oder Materialstruktur bei weitem nicht in allen Fällen mit
dem zu vermessenden Material in Kontakt gebracht werden, was für die durchzuführenden
Messungen nachteilig ist.
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Auf
gleiche Art und Weise sind Messanordnungen zur Bestimmung der Materialfeuchte
bekannt, bei denen bspw. durch elektrische Kontakte (Elektroden)
ein elektrisches Potential dem Material aufgeprägt wird, durch welches dann
ein Strom fließt. Die
Größe des Messsignals,
z. B. des Stroms ist von Materialwerten, bspw. der Dielektrizitätskonstanten, den
dielektrischen Verlusten bzw. von der elektrischen Leitfähigkeit
und somit auch von der Materialfeuchte abhängig. Dabei ist wichtig, dass
sowohl die als Stromquellen dienenden Elektroden wie auch eventuell
für den
Abgriff elektrischer Potentiale vorgesehene Elektroden einen definierten
bzw. sehr guten elektrischen Kontakt (sehr geringe elektrische Übergangswiderstände) zum
zu messenden Material aufweisen. Ungenügende oder nicht reproduzierbar definierte
elektrische Kontaktierungen erweisen sich für die Genauigkeit der Dielektrizitäts- bzw. elektrischen
Leitfähigkeitsmessungen
als wesentlicher Nachteil. Auch ist bei den bekannten Feuchtemessverfahren
auf der Basis der elektrischen Leitfähigkeit nachteilig, dass sie
nur an der Materialoberfläche zwischen
zwei Bohrungen und nicht auf einen Messfühler konzentriert im Inneren
des Materials eingesetzt werden können.
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Durch
die Erfindung sollen die aufgezeigten Nachteile vermieden werden.
Erfindungsgemäß wird das
durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs erreicht.
Dabei kann das stabförmige
Bauteil selbst hohl (ein Rohr) sein, dessen Außendurchmesser kleiner ist
als der Innendurchmesser des rohrförmigen Gehäuses. Durch die Einfügung des
stabförmigen
Bauteils in das rohrförmige Gehäuse und
die Möglichkeit
der Verdrehung ist es auf einfache Weise möglich, den mindestens einen Sensor
gegen mechanische oder andere Einflüsse zu schützen. Unter Sensor wird in
dieser Beschreibung ein Temperatursensor, eine elektrische Kontaktelektrode
oder eine andere Kontaktierung verstanden, deren Aufgabe es ist,
einen möglichst
geringen Wärmewiderstand,
elektrischen Widerstand oder Widerstand einer anderen physikalischen
Größe zum zu
messenden Material zu gewährleisten,
das vorzugsweise ein festes Material ist. Zum Zwecke des Messens
wird durch relative Verdrehung des stabförmigen Bauteils zum Gehäuse der
Sensor durch die Öffnung
im Gehäuse
nach außen
geführt,
so dass er durch die Wirkung des elastischen Bauteils mit dem Messobjekt
in guten und definierten Kontakt kommt. Zur Festlegung der geschützten und
der messenden Stellung des Sensors können am stabförmigen Bauteil
und am rohrförmigen
Gehäuse
geeignete Anschlagmittel, bspw. Madenschrauben und periphere schlitzförmige Ausnehmungen
vorhanden sein. Im allgemeinen Anwendungsfall werden mehrere Sensoren
am stabförmigen
Bauteil axial in gleichen oder anderen geeigneten Abständen angeordnet
sein, die entlang einer Mantellinie oder über den Umfang des stabförmigen Bauteils
versetzt angebracht sind und denen im rohrförmigen Gehäuse entsprechend liegende Ausnehmungen
oder Löcher
zugeordnet sind.
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Als
elastische Elemente können
vorzugsweise Blattfedern, Stabfedern oder Gewindesteigfedern verwendet
werden, wobei die Blattfedern günstiger Weise
in Querrichtung gekrümmt
sind. Die Befestigungsstellen der elastischen Elemente und ggf.
die Elemente selbst können
in die Oberfläche
des stabförmigen
Bauteils eingelassen sein. Die Sensoren sind mit einem Messgerät, das gleichzeitig
der Anzeige, Speicherung und/oder Weiterverarbeitung der Messung
dienen kann, über
Leitungen verbunden, die durch das stabförmige Bauteil oder entlang
der Außenfläche des
stabförmigen
Bauteils geführt
sind. Im Fall der Temperaturmessung sind die Leitungen vorteilhaft
beim jeweils zugehörigen
Temperatursensor in einigen (2 bis 4) Windungen entlang der Isotherme
um das stabförmige
Bauteil gelegt, damit sich Temperaturunterschiede zwischen der Umgebung und
den Leitungen nicht auf den Temperatursensor und damit auf die Genauigkeit
der Temperaturmessung auswirken. Bei der Feuchtebestimmung ist zwischen
die Elektroden und das zu messende Material jeweils eine Feuchteschicht
oder eine andere gut kontaktierende Schicht eingefügt oder
die Elektroden sind geometrisch, bspw. mit punktförmiger Berührung, so
ausgeführt,
dass eine gute Ankoppelung (Antennenwirkung) der physikalischen
Feldgröße an das
Material erfolgt. Sensoren zur Bestimmung der verschiedenen physikalischen
Größen können sich am
selben stabförmigen
Bauteil in ein und demselben Gehäuse
befinden und mit zugehörigen
Anzeige- bzw. Auswertegeräten
verbunden sein.
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Die
Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen:
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1 ein
rohrförmiges
Gehäuse
in Ansicht,
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2 ein
stabförmiges
Bauteil in Ansicht,
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3 einen
vergrößerten Querschnitt
durch eine Temperaturmessanordnung gemäß der erfindung (das stabförmige Bauteil
befindet sich im rohrförmigen
Gehäuse),
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4 einen
weiteren vergrößerten Querschnitt
durch eine Temperaturmessanordnung gemäß der erfindung,
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5 Teile
eines Axialschnitt durch eine Temperaturmessanordnung gemäß der erfindung
in vergrößerter Darstellung,
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6 Teile
eines Axialschnittes durch eine Feuchtemessanordnung gemäß der erfindung
und
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7 einen
Ausschnitt A der 6 in vergrößerter Darstellung.
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In 1 ist
ein im Querschnitt bspw. kreisförmiges
rohrförmiges
Gehäuse 10 an
einem Ende mit einem Verschluss 11 und am anderen Ende
mit einer Öffnung 12 versehen,
durch die ein stabförmiges Bauteil 13 (2)
in das rohrförmige
Gehäuse 10 einführbar ist.
Außerdem
ist das Gehäuse 10 seitlich mit
Durchbrüchen 14 und
mindestens einem peripher verlaufende Schlitz 15 versehen.
Der Querschnitt des Gehäuses 10 kann
rund oder eckig, regelmäßig oder
unregelmäßig gestaltet
sein, nur muss er mit dem Querschnitt des Bauteils 13 in
gewissem Maße korrespondieren.
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In 2 ist
das aus einem Material geringer Wärmeleitfähigkeit hergestellte stabförmige Bauteil 13 hohlzylindrisch
gestaltet und mit radial federnden, elastischen Elementen 16 versehen,
die einerseits mit dem Bauteil 13 verbunden sind und andererseits einen
Kontaktkörper
(Lötperle) 17 in
Form eines Temperatursensors tragen. Jeder Temperatursensor 17 ist über einen
gut wärmeleitenden
Draht 18 mit einem Temperaturmessgerät 19 (oder einem anderen
geeigneten Mess- und
Auswertegerät)
verbunden, das sich vorzugsweise außerhalb des stabförmigen Bauteils 13 befindet.
Der mit dem Temperatursensor 17 verlötete Draht 18 ist
in unmittelbarer Nachbarschaft zum Temperatursensor parallel zur
Isotherme einige Mal um das Bauteil 13 gewickelt und wird
dann durch ein Loch 20 und das Innere des Bauteils 13 dem Temperaturmessgerät 19 zugeleitet.
Im stabförmigen Bauteil 13 befindet
sich außerdem
mindestens eine etwa radial gerichtete Gewindebohrung 21 für eine Madenschraube 22 (3),
die zusammen mit dem Schlitz 15 des Gehäuses 10 den Drehwinkel
stabförmigen
Bauteils 13 im rohrförmigen
Gehäuse 10 bestimmt.
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Die
Abstände
der elastischen Elemente 16 am stabförmigen Bauteil 13 voneinander
müssen gleich
den Abständen
der Durchbrüche 14 im
rohrförmigem
Gehäuse 10 sein,
damit beim relativen Verdrehen des Bauteils 13 zum Gehäuse 10 die
Temperatursensoren 17 durch die Durchbrüche 14 nach außen oder
innen gefahren werden können.
Die Madenschrauben 22 werden erst dann in die Gewindebohrungen 21 eingedreht,
wenn das stabförmige Bauteil 13 in
das rohrförmige
Gehäuse 10 eingeführt ist.
Der Verschluss 11 dient der Verhinderung von Zugluft im
Gehäuse 10,
welche die Temperaturmessung verfälschen könnte. Ebenso verhindert die
Führung
des Drahtes 18 in unmittelbarer Nachbarschaft zum Temperatursensor 17 in
bspw. zwei bis vier Wicklungen um das Bauteil 13 entlang
der Isotherme eine Beeinflussung des Temperaturabgriffs.
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In
einem Ausführungsbeispiel
hat das rohrförmige
Gehäuse 10 einen
Außendurchmesser
von 10mm und Innendurchmesser von 8 mm.
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Seine
Länge soll
450 mm betragen. Im Abstand von 10 mm vom aufgeklebten oder aufgeschraubten
Verschluss 11 befindet sich der erste Durchbruch 14 von
6 mm Breite; die weiteren sechs gleich breiten Durchbrüche 14 haben
einen Mittenabstand von 50 mm. Das stabförmige Bauteil 13 hat eine
Länge von
490 mm. Die elastischen Elemente 16 sind 5 mm breit und
haben die gleichen Mittenabstände
voneinander wie die Durchbrüche 14.
Für die Stabilität der Temperaturmessanordnung
beim Verdrehen ist es günstig,
wenn am Gehäuse 10 zwei
periphere Schlitze 15 und am Bauteil 13 zwei Madenschrauben 22 in
entsprechender Anordnung vorgesehen sind.
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In
den 1 und 2 sind die elastischen Elemente 16 entlang
einer geraden Mantellinie und in gleichen Abständen voneinander angeordnet.
Das muss nicht der Fall sein. Die Temperatursensoren 17 und
damit auch die Durchbrüche 14 können im
Bedarfsfall über
den Umfang des stabförmigen
Bauteils 13 verteilt und ungleich beabstandet sein.
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Von
der zusammengebauten Temperaturmessanordnung der 1 und 2 stellt 3 einen
vergrößerten Querschnitt
entlang der Linie A-A dar. Im rohrförmigen Gehäuse 10 ist der Schlitz 15 mit
Anschlägen 151 und 152 für die Madenschraube 22 vorgesehen,
der sich peripher über
einen Winkel α von
130° erstreckt
und eine Breite von 2 bis 3 mm haben kann. Durch den Schlitz 15 wird
die in das stabförmige
Bauteil 13 eingeschraubte und entsprechend dimensionierte
Madenschraube 22 geführt und
der Drehwinkel des Bauteils 13 um eine zur Zeichenebene
der 3 rechtwinklige Drehachse X-X begrenzt. Die Größe des Drehwinkels α kann einstellbar
sein.
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4 stellt
einen vergrößerten Querschnitt entlang
der Linie B-B der montierten Temperaturmessanordnung gemäß den 1 und 2 dar.
Im zylindrischen Hohlraum des rohrförmigen Gehäuses 10 ist koaxial
mit diesem das stabförmige
Bauteil 13 drehbar angeordnet und mit einer Nut 161 bzw.
Ausnehmung 162 für
die Feder 16 versehen, die entlang des Bauteilumfangs verläuft, an
einem Ende mit Nieten oder Stiften 163 am hohlen Bauteil 13 befestigt
ist und am anderen Ende mit einer Lötperle 164 sowie einem
Kontaktkörper 17 versehen
ist, die beim Einführen
des stabförmigen
Bauteils 13 in das rohrförmige Gehäuse 10 in die Ausnehmung 162 gedrückt sind.
An der Lötperle 164 befindet
sich mit einem Längenausgleichstück 181 der
Messdraht 18, der durch ein Loch 20 in das Innere
des Bauteils 13 geführt
wird. Es ist auch möglich,
den Draht 18 am stabförmigen
Bauteil 13 außen
entlang zu führen;
zur Vermeidung von mechanischen Beanspruchungen sollte dies aber
innerhalb des Umfangs des Bauteils 13 geschehen.
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Im
rohrförmigem
Gehäuse 10 befindet
sich der Durchbruch 14 für die Feder 16, der
entsprechend der Federbreite und Federdicke sowie der Lötperle 164 und
dem Kontaktkörper 17 dimensioniert
ist und dessen in Richtung der Mantellinien des Gehäuses 10 verlaufende
Begrenzungsflächen 141 etwa tangential
zur Peripherie des Bauteils 13 gerichtet sind. Damit wird
die Durchführung
der Feder 16 durch den Durchbruch 14 begünstigt.
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Wird
das hohlzylindrische Bauteil 13 im rohrförmigen Gehäuse 10 um
die Achse X-X aus der Stellung a in die Stellung b verdreht, so
bewegt sich die Feder 16 (im vorliegenden Fall eine Blattfeder)
vermöge
ihrer Steifigkeit tangential nach außen bis sie mit dem Kontaktkörper 17 auf
einen Körper
(ein Material) 23 trifft (gestrichelte Darstellung), dessen
Temperatur bestimmt werden soll. Das mit der Lötperle 164 versehene
Federende kann auch selbst den Kontaktkörper darstellen, wenn eine
hinreichend große
Berührungsfläche bzw.
innige Berührung
gegeben ist. Um den Sensor bzw. den Kontaktkörper mechanisch zu schonen,
ist es günstig,
nicht das Bauteil 13, sondern das Gehäuse 10 zwecks Messung
zu verdrehen.
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Die
vergrößerte Schnittdarstellung
der 5 zeigt abschnittsweise das rohrförmige Gehäuse 10 mit
dem koaxial zur Achse X-X angeordneten stabförmigen Bauteil 13.
Das Gehäuse 10 ist
einseitig mit dem Verschluss 11 versehen und besitzt andererseits
die Öffnung 12,
durch welche das Bauteil 13 bis zum Verschluss 11 eingeführt worden
ist. Außerdem ist
es mit Durchbrüchen 14 versehen,
durch die die elastischen Elemente 16 mit den Temperatursensoren 17 beim
entsprechenden Drehen des Bauteils 13 um die Achse X-X
(oder eine gleichliegende benachbarte Achse) nach außen bewegt
werden können. Die
elastischen Elemente 16 können in Querrichtung aus Stabilitätsgründen gekrümmt sein
oder einen linsenförmigen
oder ähnlichen
Querschnitt aufweisen, um seine Neigung zum Abknicken zu unterbinden. Sie
befinden sich in peripher verlaufenden Nuten (Ausnehmungen) 161 des
stabförmigen
Bauteils 13 und sind mit ihren den Temperatursensoren 17 gegenüberliegenden
Enden am Bauteil 13 befestigt. Von den Temperatursensoren 17 gehen
Messdrähte (Verbindungsleitungen) 18 aus,
die zunächst
in eineigen Windungen 181 um das Bauteil 13 gelegt
sind, bevor sie durch die Löcher 20 durch
das Innere des Bauteils 13 geführt werden. Im übrigen gilt
das zu den 1 bis 5 Gesagte
sinngemäß.
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In
den 6 und 7 ist analog zur 4 ein
Querschnitt durch die Rohre 10 und 13 für den Fall
dargestellt, dass der Sensor ein Kontaktkörper in Form einer Elektrode 24 ist,
die im eingefahrenen Zustand zur Wandung (Material) 23 einer
Bohrung 231 keinen Kontakt hat und im ausgefahrenen Zustand 241 über ein
Kontaktgel 25 mit geringem bzw. definiertem elektrischen Übergangswiderstand
oder mit definiertem dielektrischen Übergangsverhalten in gutem
elektrischen Kontakt steht. Auch kann die mindestens eine Elektrode 24 selbst
so geformt sein, dass ein gutes bzw. definiertes dielektrisches Übergangsverhalten
zum auszumessenden Material 23 erreicht wird. Die Elektrode 24 ist
an einem Ende einer Blattfeder 16 befestigt, die mit ihrem
anderen Ende 165 am Rohr 13 eingespannt ist und
dieses in einer Nut 161 liegend zumindest teilweise umschlingt.
Die Messdrähte 18 von
der Elektrode 24 zu einem nicht dargestellten Mess- und/oder
Auswertegerät
werden durch ein Loch 20 im Inneren des Rohres 13 entlang
geführt.
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Es
versteht sich von selbst, dass an einem Rohr bzw. Stab 13 auch
Sensoren (Kontakte) sowohl für
die Temperaturmessung 17 als auch für die Feuchtemessung 24 und
ggf. weiterer physikalischer Größen kombiniert
sein können,
denen dann entsprechende Mess- und Auswertegeräte 19 (2) zugeordnet
sind; die Messungen können
gleichzeitig erfolgen.
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- 10
- rohrförmiges Gehäuse
- 11
- Verschluss
- 12
- Öffnung
- 13
- stabförmiges Bauteil
- 14
- Durchbrüche
- 15
- periphere
Schlitze
- 16
- elastische
Elemente, Federn
- 17
- Temperatursensoren,
Kontaktkörper
- 18
- Messdraht,
Draht, Verbindungsleitung
- 19
- Temperaturmessgerät
- 20
- Loch
- 21
- Gewindebohrung
- 22
- Madenschraube
- 23
- Körper (Material)
- 24,
241
- Elektrode
- 25
- Kontaktgel,
Kontaktschicht
- 141
- Begrenzungsflächen
- 151,
152
- Anschläge
- 161
- Nuten
- 162
- Ausnehmungen
- 163
- Niete
- 164
- Lötperlen
- 165
- anderes
Blattfederende
- 181
- Windungen
der Messdrähte
- 231
- Bohrung
- X-X
- Achse