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Die
Erfindung betrifft eine Messvorrichtung zur Ermittelung einer Temperatur,
insbesondere der Siedetemperatur einer Flüssigkeit, wobei ein Temperatursensor
und ein im Bereich des Temperatursensors angeordnetes Heizelement
gemeinsam in eine Flüssigkeit
einführbar
sind.
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Derartige
Messvorrichtungen können
prinzipiell für
beliebige Flüssigkeiten
verwendet werden. Sie finden insbesondere in Bremsflüssigkeitsbehältern von
Fahrzeugen Anwendung, da mit ihnen einerseits der Siedepunkt der
Bremsflüssigkeit
ermittelt und damit andererseits sichergestellt werden kann, dass
die Bremsflüssigkeit
während
des Fahrzeugbetriebs nicht über
ihre Siedetemperatur erhitzt wird, was zur Dampfblasenbildung und
damit zum Bremsversagen führte.
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Die
Siedepunkte von Flüssigkeiten
sind nicht konstant, da die jeweilige Siedetemperatur die zu einem
bestimmten Druck gehörende
Temperatur ist. Somit schwankt sie beispielsweise in Abhängigkeit vom
Umgebungsluftdruck. Speziell Bremsflüssigkeit ist hygroskopisch
und nimmt daher laufend Wasserdampf aus der Luft auf, wodurch ihr
Siedepunkt im Laufe der Zeit sinkt. Dieser Effekt ist besonders
stark im Kurzstreckenbetrieb eines Fahrzeugs. Er hat zur Folge,
dass im Laufe der Zeit bei immer niedrigeren Temperaturen die Gefahr
des Bremsversagens besteht. Bei längerem Betrieb kann der Wassergehalt
in der Bremsflüssigkeit
auch wieder abnehmen und somit Schwankungen unterliegen.
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In
DE 199 53 818 A1 wird
ein elektronisches Gerät
zur Verminderung von Bremsversagen an Kraftfahrzeugen beschrieben,
mit dem die Temperatur der Bremsflüssigkeit laufend gemessen und
dem Fahrer zur Anzeige gebracht wird. Dabei wird als kritischer
Punkt für
die Bremsflüssigkeit
kurz vor Erreichen der Siedetemperatur zusätzlich eine Warnung signalisiert,
welche gleichzeitig zum Erkennen ständig schleifender und/oder
fest hängender
Bremsen genutzt werden kann. Das Messen der Temperatur soll dabei über Temperaturfühler erfolgen,
die in Bohrungen in den Bremssätteln
der Fahrzeuge angeordnet sind.
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Die
Siedetemperatur müsste
dazu jedoch im jeweiligen Fall bekannt sein. Die Bohrungen in den Bremssätteln erfordern
einen großen
Herstellungsaufwand.
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Die
DE 197 41 892 C2 beschreibt
eine Vorrichtung zur Bestimmung und/oder Überwachung der Quantität und Qualität einer
in einem hydraulischen System befindlichen Flüssigkeit. Dabei enthält ein im Flüssigkeitssystem
angeordneter Sensor ein temperaturabhängiges Widerstandselement,
wobei im Bereich des Widerstandselements ein Heiz-Widerstandselement
angeordnet ist, das an einer Messeinrichtung angeschlossen ist,
welche einerseits eine Stromquelle zur Stromspeisung des Sensors
und andererseits ein Spannungsmessgerät zur Ermittlung der Spannung
am Sensor enthält.
Außerdem
sind ein Computer zur Steuerung des Messablaufes sowie ein optisches
und/oder akustisches Anzeigegerät vorgesehen.
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Mit
dieser Vorrichtung ist eine Bestimmung der Siedetemperatur der Flüssigkeit
nicht exakt genug möglich.
Der Sensor ist zudem nicht gegen chemisch aggressive Flüssigkeiten
wie Bremsflüssigkeit geschützt.
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Aus
JP 03209705 A ist
das dichte Versiegeln von Halbleiterwiderständen bekannt, indem sie in
Alkali-Barium-basiertem Glas gekapselt werden.
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In
DE 101 47 804 A1 wird
eine Vorrichtung zur Überwachung
einer hygroskopischen Flüssigkeit beschrieben,
bei der in einem geschlossenen Behälter, in dem sich die zu überprüfende Flüssigkeit
befindet, eine Messkammer angeordnet ist, die durch eine Abgrenzung
einen Teil der Flüssigkeit
vom Gesamtvolumen des Mediums trennt, wobei die Abtrennung eine
Teildurchlässigkeit
aufweist und innerhalb der Abtrennung ein Sensorelement zur Messung
der Temperatur sowie ein Heizelement zum Erwärmen des innerhalb der Abtrennung
sich befindenden Flüssigkeitsteils
angeordnet ist.
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Diese
Vorrichtung hat den Nachteil, dass das Sensorelement nicht gegen
chemisch aggressive Flüssigkeiten
geschützt
ist. Außerdem
ist die Messung ungenau, da die Flüssigkeit bezüglich des
Sensorelements nicht gleichmäßig erwärmt wird.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Messvorrichtung der
eingangs genannten Art anzugeben, mit der eine exakte Bestimmung
der Temperatur einer Flüssigkeit,
insbesondere der Siedetemperatur möglich ist und die unempfindlich
gegenüber
chemisch aggressiven Flüssigkeiten
ist.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
eine Messvorrichtung, die die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale
aufweist. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Das genaue Messen von Temperatur und Siedepunkt einer Flüssigkeit
gelingt erfindungsgemäß, indem
ein einen Temperatursensor umgebender Sensorkörper und somit der Temperatursensor
und ein zugehöriges
Heizelement voneinander beabstandet angeordnet sind. Das Heizelement
heizt dadurch nicht unmittelbar den Temperatursensor selbst auf,
wenn es eingeschaltet ist, sondern es erwärmt die Flüssigkeit, die sich zwischen
Heizelement und Sensorkörper
befindet, wenn die Messvorrichtung in die Flüssigkeit getaucht ist. Mittels
des Temperatursensors ist dadurch sowohl die höhere Temperatur der erwärmten Flüssigkeit
als auch die Temperatur der Flüssigkeit
bei abgeschaltetem Heizelement sehr genau messbar. Die Messvorrichtung
ist zudem unempfindlich gegenüber
chemisch aggressiven Flüssigkeiten,
indem der empfindliche Temperatursensor in einem Sensorkörper gekapselt
ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Sensorkörper
im wesentlichen stabförmig
und wird durch das Heizelement wenigstens teilweise etwa ringförmig umschlossen.
Im eingetauchten Zustand umgibt die Flüssigkeit dadurch gleichmäßig den
Temperatursensor im Sensorkörper
und ist ihrerseits rund um den Temperatursensor gleichmäßig durch
das Heizelement erwärmbar.
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Eine
weitere, vorteilhafte Ausführungsform ermöglicht den
lösbaren
Anschluss der Messvorrichtung an eine Auswerteelektronik, indem
der Temperatursensor und das Heizelement jeweils über elektrische
Leitungen mit Anschlusskontakten verbunden sind. Als Anschlusskontakte
können
handelsübliche Steckkontakte
kostengünstig
eingesetzt werden. Die Messvorrichtung ist dabei unempfindlich gegenüber chemisch
aggressiven Flüssigkeiten,
indem die elektrischen Leitungen des Temperatursensors teilweise im
Sensorkörper
verlaufen. Eine verbesserte Unempfindlichkeit gegenüber chemisch
aggressiven Flüssigkeiten
ergibt sich dabei, indem die Anschlusskontakte in einem Gehäuse vor
Berührung
mit der Flüssigkeit
geschützt
angeordnet sind. Vorzugsweise weisen die Anschlusskontakte von der
Flüssigkeit weg,
wobei das Gehäuse
im Bereich der Anschlusskontakte offen und beispielsweise durch
einen mit den Anschlusskontakten zu verbindenden Stecker verschließbar ist.
Kurzschlüsse
und eine Beeinträchtigung
der elektrischen Verbindung der Anschlusskontakte mit einem Stecker
durch Erwärmung
werden vermieden, indem die Anschlusskontakte im Gehäuse in einer
thermisch und elektrisch isolierenden Schicht angeordnet und befestigt
sind. Ein Gehäuse aus
Edelstahl ist mit geringem Aufwand herstellbar. Kostengünstig und
chemisch unempfindlich werden die elektrischen Leitungen teilweise
im Gehäuse
verlegt, wo durch die Verlegelängen
kurz sind und die Leitungen nicht in Kontakt mit der Flüssigkeit
kommen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ragt der Sensorkörper
in eine Öffnung
des Gehäuses
hinein, wodurch er einerseits stabil befestigt ist und andererseits
der Übertritt
von im Sensorkörper
verlaufenden elektrischen Leitungen in das Gehäuse möglich ist. Dadurch sind die
elektrischen Leitungen vor Kontakt mit der Flüssigkeit geschützt. Zudem schließt der Sensorkörper auf
diese Weise das Gehäuse
und damit die Anschlusskontakte gegen die Flüssigkeit ab. In einer weiteren
Ausgestaltung ist die Öffnung
des Gehäuses
mit einer als Vollkörper
ausgeführten
Glasdurchführung
versehen, die den Sensorkörper
teilweise umschließt.
In der Glasdurchführung
ist der Sensorkörper
noch stabiler mit dem Gehäuse
verbunden, welches durch die Glasdurchführung zudem besser gegen die
Flüssigkeit
abgedichtet ist. Vorzugsweise besteht die Glasdurchführung aus
einem schlecht Wärme
leitenden Schmelzglas. Zudem weist sie an ihrem vom Gehäuse weg
orientierten Rand in Richtung der auf eine Temperatur zu überwachenden
Flüssigkeit
vorzugsweise eine konkave Wölbung
auf. Hierdurch ist die Messvorrichtung möglichst gut gegen eine Verschmutzung
durch die zu messende Flüssigkeit
ausgeführt.
Insbesondere können
sich keine aggressiven Schmutzreste der zu überwachenden Flüssigkeit
an der Glasdurchführung ablagern.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
ist das Heizelement an der Innenseite eines Ringzylinders angeordnet,
in dessen Innenraum der Sensorkörper
mit dem Temperatursensor berührungslos
hineinragt, wobei der Ringzylinder an einem axialen Ende flüssigkeitsdicht
mit dem Gehäuse
verbunden ist. Durch den Ringzylinder ist im eingetauchten Zustand
in eine zu überwachende
Flüssigkeit,
die sich im Innenraum des Ringzylinders um den Sensorkörper befindet,
eine einstellbare Wärmemenge über das
Heizelement zuführbar,
wodurch eine genaue Siedepunktsbestimmung möglich ist. Vorzugsweise besteht
der Ringzylinder aus Edelstahl, da Edelstahl durch Bremsflüssigkeit
nicht angegriffen wird, aber mit geringem Aufwand formbar ist. Chemisch
unempfindlich werden die elektrischen Leitungen des Heizelementes
vorteilhafterweise teilweise zwischen den Wänden des Ringzylinders angeordnet.
Bei eingeschaltetem Heizelement wird die Innenseite des Ringzylinders
erwärmt
während
die Außenseite
kühl bleibt,
indem zwischen den Wänden
des Ringzylinders Luft oder ein anderes Medium mit geringer Wärmeleitung
als Isolation angeordnet ist. Dadurch wird die Flüssigkeit
außerhalb
des Messbereiches der Messvorrichtung nicht unnötig erwärmt. In einer vorteilhaften
Ausgestaltung sind an der Außenseite und/oder
an dem nicht mit dem Gehäuse
verbundenen Ende des Ringzylinders Dehnungssicken angeordnet. Durch
die Dehnungssicken kann sich der Ringzylinder innen und außen unterschiedlich
stark ausdehnen, ohne beschädigt
zu werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
weist das Gehäuse
mindestens eine Entlüftungsöffnung auf,
die den Innenraum des Ringzylinders mit dem Außenraum verbindet und somit
das Entweichen von beim Erwärmen
der Flüssigkeit
nahe des Siedepunktes im Innenraum des Ringzylinders entstehenden Dampf
ermöglicht.
Vorteilhafterweise ist eine Entlüftungsöffnung des
Gehäuses
eine quer zum Sensorkörper
angeordnete Bohrung, da eine Bohrung durch das Gehäuse mit
geringem Aufwand herstellbar ist. In einer bevorzugten Ausführungsform
weist die Bohrung dabei einen Durchmesser von 4 mm bis 5 mm auf.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
weist der Ringzylinder einen Innendurchmesser von 4 mm bis 4,5 mm
auf.
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In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
weist der Ringzylinder einen Außendurchmesser
von 10 mm bis 12 mm auf.
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Messgenauigkeit
und Stabilität
der Messvorrichtung sind hoch, wenn der Sensorkörper aus Quarzglas, dünnem Edelstahl
oder Keramik besteht. Diese Materialien weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit
und eine geringe Wärmekapazität auf, wodurch Temperaturänderungen
der Flüssigkeit
schnell zum Temperatursensor leitbar sind. Weiterhin sind diese Materialien
chemisch unempfindlich gegenüber Bremsflüssigkeit.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
weist der Sensorkörper
quer zu seiner Längsachse
einen Durchmesser von 1,5 mm bis 1,8 mm auf.
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Das
zeitversetzte Messen der Flüssigkeitstemperatur
und der Siedetemperatur ist im eingetauchten Zustand möglich, indem
der Temperatursensor und das Heizelement unabhängig voneinander ansteuerbar
sind. So sind vorzugsweise kontinuierlich die Flüssigkeitstemperatur und in
vorgegebenen Intervallen oder vorzugsweise außerhalb des Fahrzeugbetriebs
die Siedetemperatur ermittelbar, indem das Heizelement betrieben
wird, bis mittels des Temperatursensors das Sieden der Flüssigkeit detektiert
wird. Die dabei mittels des Temperatursensors gemessene Temperatur
wird als Siedetemperatur angenommen. Im weiteren Verlauf können die
jeweils bei ausgeschaltetem Heizelement gemessenen Temperaturen
mit der ermittelten Siedetemperatur verglichen werden. Bei Annäherung an
diese kann im Fahrzeugbetrieb dann eine Ausgabe zur Warnung erfolgen.
Die Auswertung wird vorzugsweise mittels einer Auswerteelektronik
durchgeführt.
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Eine
kostengünstige
und messgenaue Ausgestaltung der Messvorrichtung mit kurzer Ansprechzeit
enthält
als Temperatursensor ein Widerstandsthermometer, in einer bevorzugten
Ausführung
einen Pt100-Platinwiderstand.
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Ein
besonders gleichmäßiges Aufheizen
ist möglich,
indem zwei separat angeschlossene Heizelemente um den Sensorkörper angeordnet
sind.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert.
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Dazu
zeigen:
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1, 2 eine
Messvorrichtung im Längsschnitt
und
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3 die
Messvorrichtung ohne Vergussmasse und ohne Kontaktstifte im Querschnitt.
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Einander
entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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1 zeigt
eine Messvorrichtung 1 zum Ermitteln einer Temperatur,
insbesondere der Siedetemperatur einer Flüssigkeit F, in die die Messvorrichtung 1 teilweise
eintauchbar ist. Die Messvorrichtung 1 besteht aus einem
Temperatursensor 2, der vollständig von einem Sensorkörper 3 umgeben
ist. Der Sensorkörper 3 ist
beispielsweise stabförmig,
insbesondere radial rund in Form eines halboffenen Hohlzylinders
ausgebildet. Der Sensorkörper 3 ist
vorzugsweise aus einem möglichst
guten Wärme
leitenden Material ausgeführt.
Als bevorzugtes Material, insbesondere zur Überwachung einer aggressiven Flüssigkeit
F, wie z. B. der Bremsflüssigkeit,
wird Quarzglas verwendet. Quarzglas ist besonders chemikalienfest.
Alternativ sind auch entsprechende Sensorkörper 3 aus Keramik
oder dünn
ausgeführtem
Edelstahl möglich.
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Der
Temperatursensor 2 ist für eine schnelle und einfache
Messung als ein Widerstandsthermometer, insbesondere als ein Pt100-Widerstandsthermometer
ausgeführt.
Alternativ kann als Temperatursensor 2 auch ein beliebig
anderer Sensor, z. B. ein Thermoelement, verwendet werden.
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Der
Sensorkörper 3 weist
zur Aufnahme des Temperatursensors 2 beispielsweise einen
Durchmesser von 1,5 mm. Im Bereich des Temperatursensors 2 ist
beabstandet von dem Sensorkörper 3 um diesen
herum ein Ringzylinder 4 angeordnet. Der Ringzylinder 4 ist
vorzugsweise als eine Edelstahlhülse
ausgeführt,
in welche ein Heizelement 5 angeordnet ist, durch welches
die Flüssigkeit
F im Innenraum R des Ringzylinders 4 erwärmbar ist.
Das Heizelement 5 ist an der Innenseite der doppelwandigen Edelstahlhülse angeordnet,
die eine innere und eine konzentrische äußere Wand aufweist, wobei die
innere Wand den axialen Innenraum R des Ringzylinders 4 mit
einem Innendurchmesser von 4 mm und einem Außendurchmesser von 10 mm bildet,
in den der Sensorkörper 3 hineinragt.
Somit umschließt
der Ringzylinder 4 mit seiner Innenseite den Sensorkörper 3 berührungslos.
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Mittels
des im Sensorkörper 3 angeordneten Temperatursensors 2 ist
die Temperatur der Flüssigkeit
F im Innenraum R des Ringzylinders 4 ermittelbar. Der Temperatursensor 2 ist über elektrische
Leitungen 6 ebenso wie das Heizelement 5 über elektrische
Leitungen 7 mit Anschlusskontakten 8 verbunden,
die in einem Gehäuse 9 aus
Edelstahl in einer Vergussmasse 10 in Form von Kontaktstiften
angeordnet sind. Die Vergussmasse 10 ist beispielsweise aus
einem thermisch und elektrisch isolierenden Material, insbesondere
aus Kunststoff gebildet. Auf die Anschlusskontakte 8 ist
ein Stecker aufsteckbar, über
den die Messvorrichtung 1 mit einer nicht näher abgebildeten
Auswerteelektronik verbindbar ist. Das Gehäuse 9 ist mit dem
axialen Ende 4.1 des Ringzylinders 4 flüssigkeitsdicht
verbunden. Beispielsweise ist der Ringzylinder 4 mit dem
Gehäuse 9 laserverschweißt.
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Der
Ringzylinder 4 weist an seinem anderen axialen Ende 4.2 eine öffnung E
auf, die den Innenraum R mit dem Außenraum verbindet. Durch diese Öffnung E
kann die Flüssigkeit
F in den Innenraum R eintreten. Der Sensorkörper 3 ist in einer
Glasdurchführung 11 aus
einem Einschmelzglas angeordnet, die sich in einer Öffnung des
Gehäuses 9 befindet und
als Dichtung zwischen Sensorkörper 3 und
Gehäuse 9 dient.
Die Glasdurchführung 11 weist
rundum eine konische Wölbung 12 zum
Schutz vor Verschmutzung durch die zu überwachende Flüssigkeit F
auf. Die Glasdurchführung 11 ist
thermisch bis 300 °C
und elektrisch isolierend sowie chemikalienfest ausgeführt. Somit
ist eine derart ausgebildete Messvorrichtung 1 für die Überwachung
einer besonders aggressiven Flüssigkeit
F, wie z. B. der Bremsflüssigkeit
eines Fahrzeugs geeignet.
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Das
Gehäuse 9 weist
zwei Bohrungen als Entlüftungsöffnungen 13 auf,
die jeweils einen Durchmesser von 4 mm aufweisen. Sie erlauben zum
einen vor dem Eintauchen im Innenraum R befindlicher Luft beim Eintauchen
auszutreten und zum anderen beim Erwärmen der Flüssigkeit 2 im Innenraum
R entstehendem Dampf zu entweichen.
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Die
Edelstahlhülse
des Ringzylinders 4 ist an dessen Ende 4.1 umlaufend
flüssigkeitsdicht
mit dem Gehäuse 9 verbunden.
Beispielsweise ist der Ringzylinder 4 laserverschweißt an dem
Gehäuse 9 befestigt.
Auch das gegenüberliegende
Ende 4.2 des Ringzylinders 4 ist für eine hinreichend
gute Dichtheit gegenüber
der umgebenden Flüssigkeit
F laserverschweißt
geschlossen. Darüber
hinaus sind am Ende 4.2 im Bereich des Heizelements 5 Dehnungssicken 14 vorgesehen,
durch die eine unterschiedliche Längenausdehnung der inneren
und äußeren Wand
der Edelstahlhülse
bei Erwärmung
durch das Heizelement 5 ausgleichbar ist. Die Dehnungssicken 14 sind insbesondere
im Bereich des Heizelements 5 angeordnet. Alternativ oder
zusätzlich
können
die Dehnungssicken 14 je nach Heizleistung auch auf der Außenseite
des Ringzylinders 4 angeordnet sein, wie dies in 2 näher dargestellt
ist. In dieser Variante ist ein zweites Heizelement 5 in
dem Ringzylinder 4 angeordnet, das ein gleichmäßigeres
Erwärmen
des Innenraums R erlaubt.
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Das
Heizelement 5 kann auch zweiteilig ausgeführt sein,
wodurch eine gleichmäßigere Erwärmung der
Flüssigkeit
F erreichbar ist.
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In 3 ist
die Messvorrichtung 1 im Querschnitt A–A dargestellt. Die elektrischen
Leitungen 6 des Temperatursensors 2, die aus dem
Sensorkörper 3 austreten,
und die elektrischen Leitungen 7 des Heizelements 5,
die aus dem Gehäuse 9,
insbesondere der Vergussmasse 10 austreten, dienen dem Anschluss
an die Anschlusskontakte 8 für eine externe nicht näher dargestellte
Auswerteelektronik. Die Vergussmasse 10 und die Anschlusskontakte 8 sind zur
besseren Erkennbarkeit nicht dargestellt.
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Zur
Ermittlung des Siedepunkts der Flüssigkeit F wird beispielhaft
mittels der Messvorrichtung 1 zyklisch die Temperatur der
Flüssigkeit
F in Abhängigkeit
von einer dem Heizelement 5 zugeführten Heizleistung bestimmt.
Dazu sind im eingetauchten Zustand der Messvorrichtung 1 der
Temperatursensor 2 und das Heizelement 5 oder
mehrere Heizelemente unabhängig
voneinander steuerbar. So sind vorzugsweise kontinuierlich die Flüssigkeitstemperatur
und in vorgegebenen Intervallen oder beispielsweise für die Überwachung
der Temperatur einer Bremsflüssigkeit
außerhalb
des Fahrzeugbetriebs die Siedetemperatur ermittelbar, indem das
Heizelement 5 betrieben wird, bis mittels des Temperatursensors 2 das
Sieden der Flüssigkeit
detektiert wird. Die dabei mittels des Temperatursensors 2 gemessene
Temperatur wird als Siedetemperatur angenommen. Im weiteren Verlauf
können
die jeweils bei ausgeschaltetem Heizelement 5 gemessenen
Temperaturen mit der ermittelten Siedetemperatur verglichen werden.
Bei Annäherung
an diese kann im Fahrzeugbetrieb dann eine Ausgabe zur Warnung erfolgen. Die
Auswertung wird dann mittels einer Auswerteelektronik durchgeführt.
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Die
Messvorrichtung 1 ist als ein integriertes Bauteil durch
die glasgekapselte Ausführung
des Temperatursensors 2 mit dem diesen in einem vorgegebenen
Abstand umgebenden Heizelement 5 für einen Einsatz in aggressiven
Flüssigkeiten
F, wie z. B. der Bremsflüssigkeit,
besonders geeignet.