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Elektrischer Temperaturfühler Die Erfindung betrifft einen elektrischen
Temperaturfühler für technische Temperaturmessungen, bei dem das Schutzrohr mindestens
im Bereich des Fühlerkopfes konisch ausgebildet ist. Der Fühler ist insbesondere
für die Temperaturmessung und -regelung an Kunststoflspritzmaschinen geeignet.
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Die bekannten Temperaturfühler dieser Art haben den Nachteil, daß
ihre Zeitkonstante bzw. ihre Totzeit sehr groß ist. Ferner neigen sie wegen des
zu geringen Druckes, mit dem der Fühler an die Meßstelle angedrückt wird, vorzugsweise
bei hohen Temperaturen, zur Verzunderung oder Korrosion, was einen zusätzlichen
Wärmeübergangswiderstand mit daraus resultierender Fehlmessung zur Folge hat.
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Aufgabe der Erfindung ist es nun, diese Nachteile zu vermeiden und
einen Temperaturfühler zu schaffen, der eine sehr geringe Totzeit aufweist und der
darüber hinaus mit einfachen Mitteln auch an solchen Maschinen eingesetzt werden
kann, die bereits mit Meßbohrungen bzw. Anschlüssen für die oben beschriebenen bekannten
Temperaturfühler ausgerüstet sind.
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Weil die Totzeit des Temperaturfühlers wesentlich vom Wärmeübergangswiderstand
zwischen der Bohrungswand und Fühlerkopf und zwischen Fühlerkopf und Meßwiderstand
abhängt, soll mit der Erfindung eine solche Konstruktion geschaffen werden, daß
mit Sicherheit ein Anliegen der Flächen zwischen Fühlerkopf und der Meßstelle unter
Erzeugung einer großen Flächenpressung erreicht wird. Um über einen längeren Zeitabschnitt
gleiche Meßbedingungen zu erhalten, sind Maßnahmen vorgesehen, um auch bei schwankenden
Temperaturen den gleichen starken Druck zwischen Fühler und Meßstelle zu erhalten.
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Das Schutzrohr selbst kann in bekannter Weise ein Widerstandsthermometer
enthalten, dessen Meßeinsatz beispielsweise aus einem Platin- oder Nickelwiderstand
besteht. Das Schutzrohr kann aber auch mit einem oder mehreren Thermopaaren oder
anderen temperaturabhängigen Widerständen, z. B.
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Halbleiterwiderständen, ausgerüstet sein.
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Bei einem Temperaturfühler der eingangs beschriebenen Art werden
nun gemäß der Erfindung die beschriebenen Nachteile dadurch vermieden, daß der Fühlerkopf
segmentartig vorspringende Flächen oder Kanten aufweist, die sich über die gesamte
Länge der konischen Außenfläche des Kegelstumpfes erstrecken.
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Eine zweite Lösung der Aufgabe besteht darin, daß bei Anwendung des
Temperaturfühlers in zylindrischen Meßbohrungen eine Spannhülse Anwendung findet,
die einen dem Konus des Fühlerkopfes entsprechenden Innenkonus und entsprechend
der zylin-
drischen Meßbohrung eine zylindrische Außenfläche besitzt, wobei die konische
Innen- und/oder die zylindrische Außenfläche mit segmentartig vorspringenden Flächen
oder Kanten versehen sind.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand einiger Ausführungsbeispiele
näher beschrieben und in der Zeichnung dargestellt.
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F i g. 1 a bis 1 c zeigen den Temperaturfühler mit Meßwiderstand
in drei verschiedenen Ausführungsformen der konischen Außenfläche; F i g. 2 zeigt
einen Temperaturfühler mit Thermoelement mit einer weiteren Art der Gestaltung der
konischen Außenfläche; F i g. 3 zeigt die Anwendung des Temperaturfühlers mit einer
Spannhülse als Zwischenstück für die Anwendung in zylindrischen Meßbohrungen; F
i g. 4 zeigt einen Schnitt durch das konische Ende des Schutzrohres mit besonderer
Anordnung des Meßwiderstandes; F i g. 5 zeigt eine weitere Möglichkeit der Befestigung
des Temperaturfühlers an der Meßstelle.
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Gemäß Fig. la ist das Schutzrohr 1 an seinem Ende in bekannter Weise
nach Art eines Kegelstumpfes konisch ausgebildet und wird im folgenden mit »Fühlerkopf«
bezeichnet. In seinem Inneren ist in an sich bekannter Weise ein Meßwiderstand 2
in Form eines in Glas eingeschmolzenen Platindrahtes oder Nickeldrahtes untergebracht.
Die konische Außenfläche des Fühlerkopfes 3 ist zur Erzielung einer hohen Flächenpressung
in der entsprechend
konisch ausgebildeten Meßbohrung und zur Erzielung
eines günstigen Wärmeüberganges mit segmentartig vorspringenden Flächen 3 a und/oder
Kanten 3 b versehen (F i g. l a bis 1 c). Bei den in diesen Figuren dargestellten
Ausführungsbeispielen verlaufen diese segmentartig vorspringenden Flächen parallel
zur Mantellinie des Kegelstumpfes. Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2, bei dem
an Stelle des Meßwiderstandes ein Thermoelement 4 vorgesehen ist, verlaufen die
segmentartig vorspringenden Kanten 3 c schraubenförmig um die konische Außenfläche
des Fühlerkopfes 3.
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Der positive Schenkel des Thermoelementes ist an einer anderen Stelle
eingeschweißt als der negative Schenkel. Durch diese Anordnung wird ein integrierendes
Verhalten der Regelstrecke in Verbindung mit Zweipunkt- und Proportionalreglern
erzielt.
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Selbstverständlich kann der Temperaturfühler auch mit Doppelthermoelement
versehen werden, bei dem je nach Wahl der Schaltung die positiven und negativen
Schenkel gleichsinnig oder wechselweise angeordnet sind.
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Da es mitunter Schwierigkeiten bereitet, die notwendige konische
Bohrung genügend maßhaltig zu fertigen oder wenn zylindrische Meßbohrungen für die
Anbringung des Meßfühlers bei bereits in Betrieb befindlichen Maschinen oder Vorrichtungen
schon vorhanden sind, die wegen der vorgenommenen Härtung des Materials nachträglich
nicht mehr verändert werden können, ist in Fig. 3 eine Anwendungsmöglichkeit des
Temperaturfühlers mit dem konischen Fühlerkopf dargestellt. In dieser Figur ist
der Temperaturfühler teilweise im Schnitt gezeigt, und zwar bei seiner Anordnung
in einer zylindrischen Meßbohrung 5. Hier sei angenommen, daß die Temperatur eines
Werkstückes oder einer Vorrichtung 6 überwacht und mit Hilfe einer elektrischen
Heizung 7 auf eine bestimmte Temperatur geregelt werden soll.
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Um den Fühlerkopf 3 ist eine elastische Spannhülse 8 angeordnet, die
mit einem Innenkonus entsprechend dem Konus des Fühlerkopfes versehen ist und die
einen oder mehrere ganz durchgehende Längsschlitze aufweist, so daß sie durch das
Eindrücken des Temperaturfühlers in Achsrichtung aufgeweitet wird und sich mit ihrer
zylindrischen Außenfläche an die Wand der Meßbohrung 5 anpreßt. Die Spannhülse 8
kann sowohl an ihrer Innen- und/oder an ihrer Außenfläche mit den segmentartig vorspringenden
Flächen oder Kanten 3 a versehen sein, wie sie im Zusammenhang mit dem Fühlerkopf
gemäß Fig. 1 und 2 beschrieben sind. Zwischen dem Fühlerkopf 3 und einem Rohr 9,
in welchem die elektrischen Leitungsanschlüsse verlegt sind, ist eine wärmeisolierende
Zwischenscheibe 10 eingelegt. Ein Distanzrohr 11 ist mittels eines Gewindes in die
Vorrichtung 6 eingeschraubt und trägt an seinem oberen Ende eine Obere wurfmutter
12, die den durch sie ausgeübten Druck über Tellerfedern 13 in axialer Richtung
auf den Fühlerkopf überträgt. Durch diese Ausführungsform des Distanzrohres 11 und
der Überwurfmutter 12 wird der bei Anwendung an Kunststoffspritzmaschinen besonders
deutlich werdende Vorteil einer praktisch staubdichten Kapselung des Temperaturfühlers
erzielt. Außer der üblichen Ausführung der Tellerfedern in Stahl können diese auch
aus Bi-Metall gefertigt sein, so daß bei verschiedenen Temperaturen je nach Anordnung
und Ausbildung des Bi-Metalls ein verstärkter oder verringerter Druck mit einem
auf
diese Weise beeinflußbaren Wärmeübergang möglich ist.
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In F i g. 4 ist der Längsschnitt durch einen Temperaturfühlerkopf
gezeigt, bei dem zur Erzielung eines guten Wärmeübergangs von der Wandung des Fühlerkopfes
3 auf den Meßwiderstand 2' eine verkleinerte Ausführung der Andrückvorrichtung mit
Tellerfedern 15 wie nach F i g. 3 angewendet ist. Hier ist der Meßwiderstand 2 auf
einem Glasträger 2 a in eine annähernd topfförmige Form gebracht, wobei die Kraft
für das Andrücken über einen Bolzen 14 und die kleineren Tellerfedern 15 so auf
den topfförmig gewickelten Meßwiderstand 2' einwirkt, daß er stets mit gleichbleibendem
Druck an der Innenseite des konischen Fühlerkopfes 3 anliegt. Eine Scheibe 16, die
aus einem gut wärmeisolierenden Material besteht, verschließt den Hohlraum des Fühlerkopfes,
in dem der Meßwiderstand angeordnet ist.
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Bei dem in Fig. 3 dargestellten Anwendungsbeispiel wird der Temperaturfühler
mittels des Distanzrohres 11, das in die Wand der Vorrichtung 6 eingeschraubt ist,
in der Meßbohrung gehalten. Mit dem notwendigen Gewinde in der Zylinderwand entstehen
oftmals Schwierigkeiten, weil das Gewinde nicht gehärtet werden darf; oder wenn
die Vorrichtung nicht einwandfrei gehärtet ist, entstehen durch die großen Kräfte
»Ausreißer«. Bei der Anordnung gemäß F i g. 5 wird für das Einpressen und Befestigen
des Temperaturfühlers in der Wand der Vorrichtung6 kein Befestigungsgewinde mehr
benötigt, so daß diese Schwierigkeiten vermieden werden. Die dargestellte Anordnung
entspricht im Prinzip derjenigen nach Fig. 3, jedoch ist an Stelle der Spannhülse
8 und des Distanzrohresll ein gemeinsames Spannstück 17 angewendet, welches die
beiden Teile zusammenfaßt. Das Spannstückl7 kann aus einem Stück gefertigt oder
seine beiden Teile 17 a und 17 b können in beliebiger Weise miteinander verbunden
sein. Diese Verbindung kann, da das Spannstück auf Zug beansprucht wird, zweckmäßigerweise
in Form einer Schwalbenschwanzkupplung ausgeführt werden.
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Die Befestigung des derart ausgebildeten Temperaturfühlers erfolgt
ähnlich wie gemäß F i g. 3, indem die Überwurfmutter 12 gegenüber dem Spannstück
17 festgezogen wird, wodurch sich die Kraft über die Tellerfedern 13 auf den Fühlerkopf
3 überträgt, der auf Grund seiner konischen Ausbildung den in die Meßbohrung 5 ragenden
Teil 17 a des Spannstückes auseinanderspreizt. Dieser Teil 17 a des Spannstückes
ist sinngemäß in der gleichen Weise ausgeführt wie die Spannhülse 8 nach Fig. 3.
Er kann an seiner zylindrischen Außenfläche und/oder an seiner konischen Innenfläche
wiederum mit den segmentartig vorspringenden Flächen oder Kanten 3 a' versehen sein,
wie sie im Zusammenhang mit den F i g. 1 und 2 dargestellt und beschrieben worden
sind. Im Schnitt A-A von Fig. 5 ist eine besondere Ausbildung dieses Spannstückes
gezeigt. Bei genügend großer Anspannung der Überwurfmutter 12 wird der Temperaturfühler
allein durch das Anpressen der Spannhülse 17a in der zylindrischen Meßbohrung 5
festgehalten. Zur Verminderung der Wärmeableitung ist der nicht in der Meßbohrung
befindliche Teil des Spannstückes 17 b aus schlecht wärmeleitendem Material hergestellt,
während der untere Teil 17 a des Spannstückes aus gut wärmeleitendem Material hergestellt
ist. Die unerwünschte Wärmeableitung vom Fühlerkopf zu den außenliegenden Teilen
9, 12,
13, 17 b kann auch dadurch verhindert werden, daß in dem
Spannstück radial verlaufende und gegeneinander versetzte Bohrungen auf dem Umfang
des Spannstückes vorgesehen werden oder daß beide Teile mittels Schrauben zusammengeflanscht
sind, wobei zwischen den Flanschflächen eine wärmeisolierende Scheibe, etwa aus
Glimmer, eingesetzt ist.
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Bei der Anwendung von Temperaturfühlern der hier beschriebenen Art
ist es oft erwünscht, zur Überwachung der einwandfreien Funktion Temperatur-Kontrollmessungen
durchführen zu können.
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Um das zu ermöglichen, ist eine dünne Prüfbohrung vorgesehen (nicht
dargestellt), die schräg zum Spannstück verläuft. Dadurch ist die Einbringung eines
Mantelthermoelementes oder eines temperaturabhängigen Widerstandes kleinster Abmessungen
zu Kontrollmessungen möglich.