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Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor, umfassend ein metallisches Messelement, welches sich in Abhängigkeit von der Temperatur ausdehnt.
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Es ist eine Vielzahl von unterschiedlichen Temperaturmessprinzipien bekannt. So gibt es sogenannte Widerstandsthermometer, bei denen es sich um elektrische Bauelemente handelt, welche die Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands von Leitern zum Messen der Temperatur nutzen. Dabei werden vorzugsweise reine Metalle benutzt, da diese eine stärkere Widerstandsänderung als Metalllegierungen zeigen.
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Darüber hinaus sind sogenannte Pt 100-Sensoren bekannt. Bei diesen Sensoren handelt es sich ebenfalls um Temperaturfühler, die auf der Widerstandsänderung von Platin unter Temperatureinfluss basieren. Dabei wird die elektrische Widerstandsänderung eines Platindrahtes oder einer Platinschicht zur Temperaturmessung genutzt. Solche Platin-Temperatursensoren werden durch ihren Nennwiderstand bei einer Temperatur von 0°C charakterisiert. Beispielsweise besitzt ein Pt 100-Sensor bei einer Temperatur von 0°C einen Nennwiderstand von 100 Ω.
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Darüber hinaus sind Thermoelemente, sogenannte Thermocouples, bekannt. Ein Thermoelement wandelt durch Thermoelektrizität Wärme in elektrische Energie um. Das Thermoelement stellt dabei ein elektrisches Bauteil dar, welches aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Metallen besteht, welches der zu messenden Temperatur ausgesetzt wird. Eine Temperaturdifferenz erzeugt einen Wärmefluss und eine Thermospannung, welche die gemessene Temperatur charakterisiert.
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Die beschriebenen Temperatursensoren sind entweder sehr empfindlich, da sie in Glashülsen eingebettet sind oder bei der Verwendung von entsprechenden Metallen sehr teuer. Darüber hinaus verfügen viele Temperatursensoren nur über temperaturbegrenzte Techniken, so dass diese nur für begrenzte Temperaturbereiche einsetzbar sind.
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Aus der
US-PS 3,882,479 A ist ein Sensor bekannt, welcher sich unter Einfluss von Wärme ausdehnt. Ein solcher Sensor besteht aus zwei Metallteilen, welche verschieblich zueinander gelagert sind, wobei das eine Metallteil das andere Metallteil umschließt. Diese beiden Metallteile sind so angeordnet, dass sie sich bei Kontakt mit Wärme in entgegengesetzte Richtungen ausdehnen. Die Wärme wird dabei durch einen Heizer erzeugt, welcher das innere Metallteil umgibt. Wird nun das äußere Metallteil abgekühlt, sind die Ausdehnungswege, welches das gekühlte äußere Metallteil und das beheizte innere Metallteil zurücklegen, unterschiedlich. Das innere Metallteil kontaktiert in diesem Fall einen, ein elektrisches Signal erzeugenden Kontakt, welcher angibt, dass an der äußeren Hülle eine Flüssigkeit anliegt. Solche Bauelemente werden als Füllstandssensoren genutzt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Temperatursensor anzugeben, welcher trotz eines großen abzudeckenden Temperaturbereiches einen einfachen Aufbau aufweist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das metallische Messelement an einen Drucksensor angrenzt, welcher einen durch die thermische Ausdehnung des metallischen Messelementes hervorgerufenen Druck detektiert. Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass ein sehr robuster Aufbau für die Temperaturmessung gewählt wird. Dabei wird das Prinzip der Druckbestimmung in Abhängigkeit von der Temperatur des metallischen Messelementes für eine Temperaturmessung herangezogen. Ein solcher Temperatursensor ist unkritisch gegenüber Handling-Problemen und kann in der Prozessmesstechnik in einer Vielzahl von Umgebungen mit den unterschiedlichsten Bedingungen eingesetzt werden. Darüber hinaus ist ein solcher Temperatursensor in einem weiten Temperaturbereich, beispielsweise von –80°C bis 1200°C einsetzbar.
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Vorteilhafterweise ist das metallische Messelement in einem Metallgehäuse angeordnet, wobei das metallische Messelement und das Metallgehäuse aus unterschiedlichen Metallen bestehen. Durch diesen Aufbau ist der Temperatursensor sehr unempfindlich und die Herstellung des Temperatursensors ist nicht nur konstruktiv sehr einfach sondern auch sehr kostengünstig.
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In einer Ausgestaltung weisen die, das metallische Messelement und das Metallgehäuse bildenden Metalle unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, wobei insbesondere der thermische Ausdehnungskoeffizient des metallischen Messelementes größer ist als der thermische Ausdehnungskoeffizient des Metallgehäuses. Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Metallgehäuse und dem metallischen Messelement wird auf den Drucksensor ein temperaturabhängiger Druck nur von dem metallischen Messelement ausgeübt, wobei durch den Drucksensor ein elektrisch verarbeitbares Signal erzeugt wird, welches von der gemessenen Temperatur abhängt. Ein solcher Temperatursensor lässt sich in weiten Temperaturbereichen einsetzen.
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In einer Weiterbildung dehnt sich das metallische Messelement in eine vorgegebene Richtung, vorzugsweise in Richtung des Drucksensors aus. Durch die Auswahl der vorgegebenen Ausdehnungsrichtung wird sichergestellt, dass die gesamte temperaturabhängige Ausdehnung des metallischen Messelementes auf den Drucksensor wirkt und dieser somit ein ausreichend repräsentatives Drucksignal erzeugen kann.
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Insbesondere ist das metallische Messelement zylinderförmig ausgebildet, welches annähernd spaltlos von dem zylinderähnlichen Metallgehäuse umschlossen ist. Solche zylinderförmigen Bauteile sind in ihrer Herstellung sehr einfach und lassen sich in ihrer Form auch gut aneinander anpassen. Das feste Umschließen des metallischen Messelementes durch das Metallgehäuse unterstützt die thermische Ausdehnung des metallischen Elementes in Richtung des Drucksensors, um ein hochgenaues temperaturabhängiges Drucksignal zu detektieren.
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In einer Variante ist der Drucksensor fest mit dem Metallgehäuse verbunden. Dadurch wird verhindert, dass der Drucksensor durch die thermische Ausdehnung des metallischen Messelementes in seiner Position verschoben wird. Somit kann die gesamte Kraft, welche sich infolge der thermischen Ausdehnung des metallischen Messelementes bildet, an dem Drucksensor angreifen.
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In einer Ausführungsform schließt der Drucksensor das Metallgehäuse und das darin befindliche metallische Messelement ab. Dabei befindet sich der Drucksensor außerhalb des Metallgehäuses und bildet gleichzeitig den Abschluss des Metallgehäuses.
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Alternativ ist der Drucksensor in einem Innenraum des Metallgehäuses an diesem befestigt und schließt den Innenraum mit dem metallischen Messelement ab. Beide unterschiedlichen Varianten der Anordnung des Drucksensors gewährleisten, dass sich die gesamte durch die thermische Ausdehnung des metallischen Messelementes ausbildende Kraft an dem Drucksensor angreift.
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Vorteilhafterweise ist der Drucksensor mit einer Auswerteeinheit verbunden, welche das Drucksignal des Drucksensors in ein temperaturabhängiges elektrisches Signal umwandelt. Bei dem Vorhandensein der Auswerteeinheit in dem Drucksensor wird im Temperatursensor selbst ein von der Temperatur abhängiges elektrisches Signal erzeugt, welches weiter verarbeitet werden kann.
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Insbesondere korrigiert die Auswerteeinheit das Drucksignal hinsichtlich des, durch das Metallgehäuse hervorgerufenen Druckes. Da auch das Metallgehäuse einen gewissen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, welcher aber gegenüber dem Ausdehnungskoeffizienten des Messelementes sehr klein ist, nimmt der, an dem Metallgehäuse angeordnete Drucksensor auch diesen durch das Metallgehäuse ausgeübten Druck wahr. Da das Verhältnis der thermischen Ausdehnung des Metallgehäuses zur thermischen Ausdehnung des metallischen Elementes bekannt ist, kann dieses einfach über die Auswerteeinheit korrigiert werden, so dass als Ergebnis nur ein Drucksignal vorhanden ist, welches allein durch die thermische Ausdehnung des metallischen Messelementes hervorgerufen wird.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Temperatursensors,
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2: ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Temperatursensors.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Die in 1 dargestellte Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Temperatursensors 1 kann vorzugsweise in der Prozessmesstechnik eingesetzt werden, wo insbesondere raue Umgebungsbedingungen herrschen. Aufgrund der robusten Ausgestaltung ist der Temperatursensor 1 besonders für solche Einsatzgebiete von Vorteil.
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Der Temperatursensor 1 besteht aus einem einseitig offenen Metallgehäuse 2, welches fingerähnlich ausgestaltet ist und einen runden Querschnitt aufweist. Innerhalb des Metallgehäuses 2 ist ein metallisches Messelement 3 eingesetzt, welches auf dem Boden 2a des Metallgehäuses 2 aufsitzt und sich vom Boden 2a aus innerhalb des fingerähnlich ausgebildeten Metallgehäuses 2 erstreckt, wobei das Metallgehäuse 2 fast vollständig durch das metallische Messelement 3 ausgefüllt ist. Dabei liegen das metallische Messelement 3 und das Metallgehäuse 2 nahtlos aneinander an.
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Das Metallgehäuse 2 besteht dabei aus einem anderen Metall als das metallische Messelement 3 im Inneren des Metallgehäuses 2. Das metallische Messelement 3 berührt an der offenen Seite des Metallgehäuses 2 einen Drucksensor 4. Der Drucksensor 4 ist im Innenraum 7 des Metallgehäuses 2 an diesem, insbesondere fest an den Wänden des Metallgehäuses 2 fixiert. Das metallische Messelement 3 füllt den gesamten Innenraum 7 zwischen dem Metallgehäuse 2 und dem Drucksensor 4 aus. Der Drucksensor 4 ist über die elektrische Leitungen 5 mit einer Auswerteeinheit 6 verbunden. Alternativ ist es aber auch möglich, dass diese Auswerteeinheit 6 Bestandteil des Drucksensors 4 ist.
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Die für das Metallgehäuse 2 und das metallische Messelement 3 genutzten Metalle weisen unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auf. Das metallische Messelement 3 weist gegenüber dem Metallgehäuse 2 einen wesentlich größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf. Das metallische Messelement 3 dehnt sich bei thermischem Kontakt des Metallgehäuses 2 mit einem Medium, dessen Temperatur zu bestimmen ist, in die durch den Pfeil P gezeigte Richtung aus. Durch diese Ausdehnungsrichtung wird gewährleistet, dass das metallische Messelement 3 infolge der an dem Temperatursensor 1 anliegenden Temperatur gegen den Drucksensor 4 drückt. Der Drucksensor 4 detektiert diesen temperaturabhängigen Druck. Dieser wird durch die Auswerteeinheit 6 in ein elektrisches Signal umgewandelt. Die Auswerteeinheit 6 korrigiert gleichzeitig dieses elektrische Signal, indem sie den Druck, welcher das Metallgehäuse 2 infolge eines kleineren thermischen Ausdehnungskoeffizienten ebenfalls auf den Drucksensor 4 ausübt, dahingehend, dass das elektrische Signal nur den temperaturabhängigen Druck wiedergibt, der durch die Ausdehnung des metallischen Messelementes 3 hervorgerufen wurde.
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Wie aus 2 ersichtlich, kann der Drucksensor 4, welcher die Druckwirkung der temperaturabhängigen Ausdehnung des metallischen Messelementes 3 detektiert, aber auch so angeordnet sein, dass dieser das Metallgehäuse 2 abschließt und somit als Verschluss für den Temperatursensor 1 dient.
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Der vorgeschlagene fingerähnliche Temperatursensor 1 wird dabei der am Messort herrschenden Temperatur ausgesetzt, wobei ein solcher Temperatursensor 1 relativ hohe Temperaturen erfassen kann, ohne dass teure oder temperaturbegrenzte Sensortechniken verwendet werden müssen. Ein solcher robust ausgestalteter Temperatursensor 1 kann die Temperaturen in allen Medien, wie Flüssigkeiten, Luft oder festen Materialien, erfassen. Neben der Prozessmesstechnik kann der Temperatursensor vielseitig verwendet werden, beispielsweise auch in Rohren oder in Heizungen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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