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Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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TECHNISCHER HINTERGRUND
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Temperaturfühler kommen in den unterschiedlichsten Bauarten zum Einsatz.
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Im einfachsten Fall werden beispielsweise PT-Sensoren bzw. PT-Geber ohne besondere Vorkehrungen verwendet. Sie werden einfach dort angeklebt oder im Zuge der SMD-Technik dort angelötet, wo sie die Temperatur messen sollen.
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In anderen Fällen werden solche Temperaturfühler in ein Schutzrohr eingebaut verwendet. Solche Konstruktionen kommen insbesondere dann zum Einsatz, wenn das zu messende Medium aggressiv ist oder die Umgebung den Sensor mechanisch und/oder chemisch zu beeinträchtigen droht.
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Derart aufgebaute Temperaturfühler messen die Umgebung des sie umgebenden Stoffs. Dabei kann die Temperatur in einer bestimmten Stelle des Fühlers nicht bestimmt werden. Bei längeren Fühlern und größeren Temperaturdifferenzen entlang des Fühlers erfasst der Fühler stattdessen eine Mischtemperatur der Umgebung.
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AUFGABE
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturfühler zu schaffen, mit dem es leichter gelingt, eine lokale Temperatur störungsfrei zu erfassen.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß erfolgte die Lösung durch einen Temperaturfühler nach Maßgabe des Anspruchs 1.
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Der erfindungsgemäße Temperaturfühler besitzt ein Gehäuse mit einem in die Wand des Gehäuses eingebauten und von dort aus in das Innere des Gehäuses hineinragenden Wärmeleitkörper. Innerhalb des vom Gehäuse umschlossenen inneren Raums ist ein Temperaturgeber thermisch an die Kontaktfläche des Wärmeleitkörpers angekoppelt. Der Temperaturgeber erzeugt ein im Wesentlichen nur von der Temperatur des Wärmeleitkörpers abhängiges elektrisches Signal. Darüber hinaus besitzt der Temperaturfühler auch ein Mittel zur Ausgabe des Signals nach außen, aus dem Gehäuse des Temperaturfühlers heraus.
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Der erfindungsgemäße Temperaturfühler zeichnet sich dadurch aus, dass sein Gehäuse wärmeisolierend ist. Dabei durchbricht der Wärmeleitkörper das wärmeisolierende Gehäuse nur punktuell. Er bildet dort, wo er durchbricht, eine außenseitig freie Empfängerfläche aus. Insgesamt ist der Temperaturfühler so gestaltet, dass die Temperatur des Wärmeleitkörpers von der Wärmeenergie bestimmt wird, die über seine freie Empfängerfläche zugeführt wird.
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Das Gehäuse des Temperaturfühlers ist jedenfalls dann aus einem wärmeisolierenden Material, wenn die Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitkörpers um mindestens den Faktor 25, besser mindestens den Faktor 80 höher ist als die Wärmeleitfähigkeit des Materials, aus dem das Gehäuse besteht.
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Von einer nur punktuellen Durchbrechung des wärmeisolierenden Gehäuses durch den Wärmeleitkörper spricht man nicht nur, aber bevorzugt jedenfalls dann, wenn die Empfängerfläche flächenmäßig maximal um den Faktor 3, besser nur um den Faktor 2 größer ist als die von dem Temperatursensor belegte Kontaktfläche.
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Insgesamt kann man sagen, dass nur der kleinere Teil, bevorzugt weniger als 15% idealerweise weniger als 9% der Außenoberfläche des Temperaturfühlers dem Temperaturgeber unmittelbar Wärme zuleitet, während der überwiegende Teil des Gehäuses ein isolierendes Material ist, das zudem nicht unmittelbar thermisch leitend mit dem Temperaturgeber verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird also nur ein kleiner Bereich der Fühleraußenfläche für das Erfassen der zu messende Temperatur verwendet. Das Gehäuse des Fühlers dient der Isolation, um thermische Einflüsse der umgebenden Materie an der Messstelle zu minimieren.
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Auf diese Art und Weise wird die gemessene Temperatur des Wärmeleitkörpers im Wesentlichen vorzugsweise zu mehr als 95 % von der Wärmeenergie bestimmt, die dem Wärmeleitkörper über seine freie Empfängerfläche zugeführt wird. Dadurch, dass die freie Empfängerfläche ausgesprochen klein ist, kaum größer, als das der verwendete Temperatursensor erfordert, ist eine ausgesprochen punktförmige und genaue Messung möglich. Das gilt auch dann, wenn der Temperaturfühler starken thermischen Störeinflüssen von außen ausgesetzt ist, die zwar nicht von dem zu messenden Punkt selbst ausgehen, aber von dessen unmittelbarer Umgebung. Solche thermischen Störgrößen werden durch die isolierende Gehäusewand im Wesentlichen ausgeblendet.
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Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Fühlers ist prädestiniert für Fühler, die die Außenringtemperaturen von Wälzlagern messen oder die die Wicklungstemperatur eines gekühlten Motors messen. Alternativ lassen sich auch gut Fühler realisieren, die Brennkammer-Temperaturen von gekühlten Verbrennungsmotoren messen. Für entsprechende Verwendungen wird ebenfalls Schutz beansprucht.
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WEITERE AUSGESTALTUNGSOPTIONEN
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Es hat sich als besonders günstig herausgestellt, den Wärmeleitkörper so zu gestalten, dass seine für die Ankoppelung des Temperatursensors vorgesehene Kontaktfläche im Wesentlichen parallel zur Normalen der Empfängerfläche ausgerichtet ist und vorzugsweise als freier Kragträger in den Innenraum des Gehäuses ragt. Ein solcher freier Kragträger kann durch die einseitige, zu einer Planfläche führende Materialabnahme an einem z. B. zylindrischen Wärmeleitköper gebildet sein. Idealerweise ist der Kragträger - auch auf seiner Seite, die der den Temperaturgeber haltenden Seite abgewandt ist - frei auskragend ausgestaltet. Er steht dann auch dort nicht mit dem Gehäuse in unmittelbarem wärmeleitendem Kontakt.
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Auf diese Art und Weise kann eine besonders große Kontaktfläche bereitgestellt werden. Umgekehrt bedeutet das, dass der Wärmeleitkörper nicht nur deswegen größer gestaltet werden muss, als der eigentliche Messzweck erfordert, weil sonst für den Temperatursensor keine hinreichend große Kontaktfläche bereitgestellt werden kann.
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Wenn der Kragträger an zwei Seiten gegenüber dem Gehäuse frei ist, wie oben beschrieben, wird auch eine kleine, aber doch ggf. störende Wärmezufuhr oder -abfuhr über das isolierende Gehäuse unterbunden.
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Im Rahmen einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die freie Empfängerfläche des Wärmeleitkörpers bündig mit der sie umgebenden Oberfläche des Gehäuses abschließt. Auf diese Art und Weise kann der Wärmeleitkörper mit dem zu messenden Flächenbereich unmittelbar in wärmeleitenden Körperkontakt gebracht werden. Dabei stellt das ihn auf gleichem Niveau umgebende Gehäuse einen formschlüssigen Anschlag dar, der sicherstellen hilft, dass der Wärmeleitkörper keiner übermäßigen Flächenpressung ausgesetzt wird, etwa wenn der Temperaturfühler über sein Außengewinde stark gegen die zu messende Fläche verspannt wird.
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Idealerweise ist das wärmeisolierende Gehäuse ein Rohr, das den Temperatursensor in sich aufnimmt. Vorzugsweise besitzt das wärmeisolierende Rohr einen kreisrunden Querschnitt. Dadurch genügt eine Bohrung in dem zu messenden Objekt, um den Temperaturfühler mit seinem Wärmeleitkörper unmittelbar bis an die zu messende Fläche oder den zu messenden Punkt heranzubringen und dort festzusetzen. Ausführungen als beispielsweise reibschlüssig festsetzbarer Einsteckfühler, als Einschraubfühler mit Außengewinde und Kontaktfühler sind somit besonders gut realisierbar.
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Idealerweise ist der Wärmeleitkörper als ein das Rohr verschließender Stirndeckel ausgestaltet, obwohl - nicht bevorzugt und bis dato nur zum Zwecke der Verhinderung von patentrechtlichen Umgehungslösung eingeschlossen - die Messstelle auch an einer beliebigen Stelle des Mantels des das Gehäuse bildenden Rohrs liegen kann oder kombiniert mantelseitig und stirnseitig angeordnet sein könnte. Soweit der Wärmeleitkörper als der besagte Stirndeckel ausgestaltet ist, bildet die Empfängerfläche des Wärmeleitkörpers vorzugsweise den größeren Teil in bevorzugt mindestens 80 %, noch besser mindestens 85 % der freien Stirnfläche des Rohres aus. Auf diese Art und Weise entsteht ein besonders punktförmig messender Temperaturfühler, der über seine Stirnseite die zu messende Temperatur aufnimmt - wobei aber gleichzeitig über diese Stirnseite nur wenig Wärmeenergie in das isolierende Gehäuse eingeleitet wird, da das isolierende Gehäuse stirnseitig nur wenig Transferfläche bietet.
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Es ist besonders günstig, wenn das Rohr an seiner Innenumfangsfläche einen Absatz trägt, der einen Bund oder Anschnitt des Wärmeleitköpers aufnimmt. Hierdurch kommt die Seitenfläche bzw. rundum verlaufende Flanke des Wärmeleitkörpers geschützt innerhalb der das Gehäuse bildenden Wand zu liegen.
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Vorzugsweise ist das Mittel zur Messsignalausgabe ein zweiadriges Kabel. Dieses wird im Regelfall auf der anderen, dem Wärmeleitkörper entgegengesetzt gegenüberliegenden Stirnseite des Rohres aus diesem nach außen herausgeführt.
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Idealerweise ist der Innenraum des Gehäuses vollständig mit - vorzugsweise wärmeisolierender - Masse vergossen.
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Erfindungsgemäß wird auch für die Verwendung eines Temperaturfühlers der hier beschriebenen Art zum Zwecke der Messung der Stationärringtemperatur eines Wälzlagers Schutz beansprucht, vorzugsweise in einer Ausgestaltung, bei der die Empfängerfläche des Wärmeleitkörpers in einer Richtung zylindrisch konvex gekrümmt ist. Eine so gestaltete Empfängerfläche kann bei radialer Positionierung des Temperaturfühlers, bezogen auf die Drehachse des Wälzlagers, vollflächig mit dem Außenumfang des Außenrings des Wälzlagers in Kontakt kommen. Es wird dadurch möglich, die interessierende Lokaltemperatur am Lagerring besonders genau zu messen.
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In den meisten Fällen ist es klar bevorzugt, den Temperaturfühler ohne eine zusätzliche Metallhülse einzusetzen, um die außerordentliche Stärke des erfindungsgemäßen Temperaturfühlers, lokale Temperaturen besonders genau erfassen zu können, ungeschmälert zu nutzen.
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In manchen Fällen kann - unter Preisgabe dann nicht benötigter Messgenauigkeit - trotzdem eine Verwendung des Temperaturfühlers opportun sein, die sich dadurch auszeichnet, dass der Temperaturfühler mit einer über den Temperaturfühler zum Schutz vor aggressiven Medien übergeschobenen Metallhülse zum Einsatz kommt.
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Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten, Wirkungsweisen und Vorteile der Erfindung zeigen sich dem fachkundigen Leser anhand des nachfolgend mithilfe der Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiels.
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Figurenliste
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- Die 1 zeigt einen Schnitt entlang der Längsachse L eines Ausführungsbeispiels für einen erfindungsgemäßen Temperaturfühler 1.
- 2 zeigt einen für einen solchen Temperaturfühler 1 bevorzugt zum Einsatz kommenden PT-Sensor und seine typische Ausgestaltungsform.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Sehr gut anhand der 1 zu erkennen ist das Gehäuse 2 des Temperaturfühlers 1. Es ist hier in Richtung entlang seiner Längsachse L aufgeschnitten, sodass man nur eine Hälfte des Temperatursensors sieht.
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Das Gehäuse 2 hat bei diesem Ausführungsbeispiel die Gestalt eines kreisrunden Rohrs mit idealerweise durchgehend konstantem Außendurchmesser. Eine solche Ausgestaltung ist bevorzugt, da man lediglich eine Bohrung braucht, um den Temperaturfühler 1 in seine Messposition zu bringen und dort zu halten. Die Außenumfangsoberfläche des kreisrunden Rohrs trägt mindestens eine Nut 3 zur Aufnahme eines Dichtrings 4. Hier ist der Dichtring 4 als umlaufende Schnurdichtung ausgeführt. Diese Schnurdichtung kann einerseits zum Abdichten der hier nicht gezeigten Bohrung dienen, in die der Temperatursensor 1 eingeschoben ist. Die Schnurdichtung kann aber auch oder stattdessen zum reibschlüssigen Halten des Temperatursensors 1 in seiner Position dienen.
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Das Gehäuse 2 ist aus einem wärmeisolierenden, aber über den bestimmungsgemäßen Messbereich hinweg temperaturbeständigen Material gefertigt. Idealerweise besteht das Gehäuse 2 aus Keramik oder eventuell auch aus Glas. Gerade für Anwendungen, bei denen der bestimmungsgemäß zu messende Temperaturbereich im unteren Bereich angesiedelt ist, kommt in vielen Fällen auch ein Kunststoff infrage.
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Wie man sieht, besitzt das Gehäuse 2 des Temperatursensors 1 eine distale Stirnseite D und eine proximale Stirnseite P. Beide Stirnseiten des Gehäuses 2 sind offen.
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Über die distale Stirnseite D tritt vorzugsweise ein elektrisches Anschlusskabel aus oder es wird ein Steckkontakt oder eine Buchse (nicht figürlich dargestellt) über die distale Stirnseite D nach außen geführt.
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In die proximale Stirnseite P ist der Wärmeleitkörper 5 eingesetzt, sodass er die Öffnung des Gehäuses 2 auf der proximalen Stirnseite P verschließt. Insgesamt gesehen kann man sagen, dass der Wärmeleitkörper 5 das hier als Rohr ausgeführte Gehäuse nur punktuell mit seiner freien Empfängerfläche durchbricht - nämlich mit einer Empfängerfläche, die im Wesentlichen auf die Größe der Fläche beschränkt ist, deren Temperatur gemessen werden soll.
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Der Wärmeleitkörper 5 besteht idealerweise aus Kupfer, das gut verfügbar und erstklassig wärmeleitend ist. Eventuell kann stattdessen, abhängig von den Anforderungen an die Dynamik des Sensors oder der Beständigkeit gegen Medien, auch Aluminium oder Silber bzw. Messing verwendet werden.
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Der Wärmeleitkörper 5 bildet auf seiner Außenseite eine Empfängerfläche 8 aus. Die Empfängerfläche 8 ist eine außenseitig freiliegende Oberfläche. Sie kann entweder mit dem Messpunkt in unmittelbar wärmeleitendem Körperkontakt gebracht werden. Dann gibt sie dessen Temperatur unmittelbar weiter. Sie kann aber auch stattdessen so exponiert werden, dass sie die Wärmestrahlung des Messpunktes auffängt und auf diese Art und Weise den nötigen mittelbaren Kontakt mit dem Messpunkt hat. Die Empfängerfläche 8 ist diejenige, im Regelfall einzige Fläche, über die dem Inneren des Gehäuses in nennenswertem Umfang Wärme zugeführt oder über die in nennenswertem Umfang Wärme aus dem Inneren des Gehäuses abgeführt wird. Die Längsachse L bildet hier, bei dieser Konfiguration, die Normale der Empfängerfläche 8. Die Normale der Empfängerfläche 8 markiert deren Haupt-Messrichtung.
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Idealerweise ist der Wärmeleitkörper 5 derart in das Gehäuse 2 eingebaut, dass die Empfängerfläche 8 des Wärmeleitkörpers 5 bündig mit der sie umgebenden Oberfläche des Gehäuses abschließt. Zu diesem Zweck ist das hier rohrförmig ausgeführte Gehäuse 2 mit einem Bund 10 versehen. In diesem Bund 10 kann der Wärmeleitkörper 5 so eingeschoben werden, dass seine Seitenfläche von dem Gehäuse 2 übergriffen wird. Hierdurch kommen die Seiten bzw. Flanken des Wärmeleitkörpers 5 innerhalb des wärmeisolierenden Gehäuses 2 zu liegen. Sie werden also von ihm abgeschirmt. Somit wird verhindert oder zumindest weitgehend unterbunden, dass Wärmestrahlung, die vollständig oder im Wesentlichen senkrecht zur Normalen der Empfängerfläche 8 auf den Temperaturfühler einstrahlt, die Temperatur des Wärmeleitkörpers 5 beeinflusst. Umgekehrt kommt das isolierende Gehäuse 2 bestenfalls über eine vergleichsweise kleine Kontaktfläche unmittelbar mit dem Messpunkt oder dessen Umgebung in Kontakt. Zusätzlich wird der Wärmeleitkörper 5 durch diese Konfiguration gegen axiales Verschieben relativ zum Gehäuse 2 gesichert. Das gilt gerade auch dann, wenn größere Kräfte auftreten, etwa weil der Wärmeleitkörper 5 im Zuge des Einschraubens des Gehäuses 2 unter beträchtlichem Druck gegen den Messpunkt zur Anlage kommt. In vielen Fällen wird der Wärmeleitkörper eingeklebt oder sogar eingelötet sein.
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Wie man sehr gut anhand der 1 erkennen kann, bildet der Wärmeleitkörper 5 einen Kragträger 6 aus. Mit diesem Kragträger 6 ragt er in das Innere des Gehäuses 2 hinein. Vorzugsweise steht der Kragträger 6 ausschließlich mit dem Wärmeleitkörper 5 in unmittelbarem Kontakt. Ein unmittelbarer Kontakt des Kragträgers 6 mit dem Gehäuse 2 findet idealerweise nicht statt. So wird verhindert, dass die Messgenauigkeit dadurch beeinträchtigt wird, dass dem Kragträger 6 durch unmittelbaren Kontakt mit dem Gehäuse 2 Wärme zugeleitet oder von ihm abgeführt wird.
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Der Kragträger 6 ist so ausgestaltet, dass er eine im Regelfall ebene Kontaktfläche 7 ausbildet. Diese Kontaktfläche 7 ist, wie man hier gut erkennen kann, bevorzugt vollständig, ansonsten zumindest im Wesentlichen (+/-15°) parallel zur Normalen der Empfängerfläche 8 positioniert.
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Die Kontaktfläche 7 trägt den Temperaturfühler 9. Der Temperaturfühler 9 steht dabei in unmittelbarem, wärmeleitendem Kontakt mit der Kontaktfläche 7. Im Regelfall ist der Temperaturgeber 9 auch nur mit dem Kragträger unmittelbar wärmeleitend verbunden, jedenfalls bei unvergossener Bauart. Typischerweise ist der Temperaturfühler 9 auf die Kontaktfläche 7 aufgelötet, aufgeschweißt oder mit ihr verklebt. Dabei erschließt sich dem Betrachter zwanglos der Sinn dieser speziellen Anordnung der Kontaktfläche 7. Es ist nämlich so, dass dem Temperaturfühler 9 damit eine flächenmäßig wesentlich größere Kontaktfläche 7 zur Verfügung steht, als sie zur Verfügung stehen würde, wenn der Temperaturfühler 9 mit scharf abgeknickter Zuleitung in einer um 90° gedrehten Position an der Innenseite des Wärmeleitkörpers 5 befestigt werden müsste - weil kein Kragträger 6 an dem Wärmeleitkörper 5 ausgebildet ist. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass der Temperatursensor 1 bei Verwendung eines Wärmeleitkörpers 5, der einen solchen Kragträger 6 ausbildet, kleiner und insbesondere mit einem kleineren Umfang gebaut werden kann. Das fördert die hier zu erreichende punktförmige Messung.
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Es können unterschiedliche Temperaturgeber 9 zum Einsatz kommen, etwa PT-Sensoren oder NTC-Sensoren. Besonders bevorzugt sind solche der Typen PT 100 bis PT 1000.
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Ein solcher PT-Sensor sieht so aus, wie das die 2 veranschaulicht. PT-Sensoren sind besonders klein und daher für einen Temperaturgeber 9, der nur punktförmig messen soll, ideal. Je nach Anwendung befindet sich bei einem solchen Temperaturgeber 9 das in Abhängigkeit von der Temperatur widerstandsveränderliche Platin in Draht- oder Schichtform, oft als Mäander-Band ausgestaltet, auf einem gläsernen oder keramischen Träger mit einer ebensolchen Ummantelung.
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Typischerweise ist das Innere des Gehäuses 2 vollständig mit einer Vergussmasse VM ausgefüllt, beispielsweise einer elastischen und temperaturbeständigen Silikonmasse. Dort, wo solche Temperaturfühler 1 für das Messen relativ niedriger Temperaturen vorgesehen sind, können auch das Gehäuse und die Vergussmasse eins sein. Das kann dadurch bewerkstelligt werden, dass der Wärmeleitkörper 5 und das von ihm abgehende Anschlusskabel 11 samt Temperaturfühler 9 mit dem gehäusebildenden Kunststoff umspritzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperaturfühler
- 2
- Gehäuse
- 3
- Nut
- 4
- Dichtung
- 5
- Wärmeleitkörper
- 6
- Kragträger
- 7
- Kontaktfläche
- 8
- Empfängerfläche
- 9
- Temperaturfühler
- 10
- Bund
- 11
- Anschlusskabel
- D
- distale Stirnseite
- P
- proximale Stirnseite
- L
- Längsachse
- VM
- Vergussmasse
