DE19917372A1

DE19917372A1 - Oberflächentemperaturmeßgerät und -meßverfahren

Info

Publication number: DE19917372A1
Application number: DE1999117372
Authority: DE
Inventors: Heinrich Lysen
Original assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Current assignee: Prueftechnik Dieter Busch AG
Priority date: 1999-04-16
Filing date: 1999-04-16
Publication date: 2000-10-19
Anticipated expiration: 2019-04-17
Also published as: DE19964592B4; DE19917372B4

Abstract

Die Erfindung betrifft gemäß einem Aspekt ein Meßgerät zum Erfassen der Temperatur und der Schwingungen einer Oberfläche (12), das mit einer Tastspitze (22) zum Ansetzen an die zu messende Oberfläche, einem Schwingungssensor (26) zum Erfassen der Schwingungen der Tastspitze sowie einem Temperatursensor (24) zum Erfassen der Temperatur der Tastspitze versehen ist. Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft sie ein Meßgerät zum Erfassen der Temperatur einer Oberfläche (12), das mit einer Tastspitze (22) zum Ansetzen an die zu messende Oberfläche und einem Temperatursensor (24) zum Erfassen der Temperatur der Tastspitze, sowie einer Auswerteeinheit (20) zur Ermittlung der Temperatur der zu messenden Oberfläche versehen ist, wobei die Auswerteeinheit (20) so ausgebildet ist, daß sie die Temperatur der zu messenden Oberfläche (12) aus dem Zeitverlauf der an der Tastspitze (22) erfaßten Temperatur nach dem Ansetzen der Tastspitze mittels eines mathematischen Modells ermittelt. Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Oberfläche (12). Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Schwingungsmeßgerät mit zwei unterschiedlichen, frequenzabhängig unterschiedlich angekoppelten seimischen Massen.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Meßgerät zum berührenden Erfassen der Temperatur einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 3 sowie ein Verfahren zum berührenden Ermitteln der Temperatur einer Oberfläche. Ferner bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Meßgerät zum Erfassen der Temperatur und der Schwingungen einer Oberfläche. Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Schwingungsmeßgerät gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 25.

Bei gattungsgemäßen Meßgeräten zum berührenden Erfassen der Temperatur einer Oberfläche wird die Tastspitze auf die zu messende Oberfläche manuell aufgesetzt und die Temperatur wird anschließend aus dem Signal des Temperatursensors von der Auswerteeinheit ermittelt, wobei der Temperaturwert als Oberflächentemperatur angenommen wird, der sich nach dem Anstieg des Temperatursignals nach dem Ansetzen der Tastspitze als stationärer Wert ergibt. Nachteilig bei Meßgeräten dieses Typs ist, daß das sich ergebende stationäre Temperatursignal von verschiedenen Parametern abhängt, wie z. B. dem Wärmewiderstand am Ansetzpunkt zwischen der zu messenden Oberfläche und der Tastspitze oder der Wärmeableitung von der Tastspitze an die Umgebung. Da jedoch solche Parameter bei der Messung nicht berücksichtigt werden, kann sich, z. B. bei schlechtem Wärmekontakt zwischen der zu messenden Oberfläche und der Tastspitze, ein relativ großer Meßfehler ergeben.

Bei gattungsgemäßen Schwingungsmeßgeräten ist eine entsprechend dem gewünschten Frequenzbereich, in welchem die Messungen durchzuführen sind, gewählte seismische Masse mit dem Schwingungssensor fest gekoppelt. Nachteilig dabei ist, daß das Meßgerät nur in dem von der seismischen Masse bestimmten Frequenzbereich empfindlich ist.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bzw. Meßgerät zum berührenden Erfassen der Temperatur einer Oberfläche zu schaffen, welche eine verbesserte Meßgenauigkeit gewährleisten. Ferner ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Meßgerät zu schaffen, welches sowohl die Temperatur als auch die Schwingungen einer Oberfläche beruhend erfassen kann und dabei möglichst einfach aufgebaut ist. Außerdem ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Schwingungsmeßgerät zu schaffen, welches mindestens in zwei verschiedenen Frequenzbereichen empfindlich ist.

Die erste Aufgabe wird gelöst durch ein Meßgerät zum berührenden Erfassen der Temperatur einer Oberfläche gemäß Anspruch 3 bzw. ein Verfahren zum berührenden Erfassen der Temperatur einer Oberfläche gemäß Anspruch 24. Die zweite Aufgabe wird gelöst durch ein Meßgerät zum berührenden Erfassen der Temperatur und der Schwingungen der Oberfläche gemäß Anspruch 1. Die dritte Aufgabe wird gelöst von einem Schwingungsmeßgerät gemäß Anspruch 25.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät gemäß Anspruch 3 bzw. bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß Anspruch 24 ist vorteilhaft, daß dadurch, daß die Temperatur der zu messenden Oberfläche aus dem Zeitverlauf der an der Tastspitze erfaßten Temperatur nach dem Ansetzen der Tastspitze mittels eines mathematischen Modells ermittelt wird, die Genauigkeit der Messung verbessert werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Meßgerät gemäß Anspruch 1 ist vorteilhaft, daß dadurch, daß die Tastspitze zugleich zum Erfassen der Temperatur mittels eines Temperatursensors und dem Erfassen der Schwingungen mittels eines Schwingungssensors dient, das Meßgerät sehr einfach aufgebaut ist, da keine zusätzliche Schwingungstastspitze erforderlich ist.

In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung ist die Auswerteeinheit so ausgebildet, daß die in dem mathematischen Modell berücksichtigten Parameter in einem Lernvorgang an bekannten Oberflächen mit bekannten Temperaturen ermittelt werden und im Meßgerät gespeichert werden. Dadurch kann auf einfache Weise aus dem erfaßten Temperaturverlauf an der Tastspitze die Temperatur der zu messenden Oberfläche ermittelt werden.

Vorzugsweise wird in dem Modell der Wärmewiderstand zwischen der Tastspitze und der zu messenden Oberfläche berücksichtigt, wobei dieser aus dem Verlauf des Anstiegs der an der Tastspitze erfaßten Temperatur ermittelt wird. Auf diese Weise kann eine wesentliche Fehlerquelle der Temperaturmessung beseitigt werden.

Ferner kann ein zusätzlicher Temperatursensor zum Erfassen der Umgebungstemperatur vorgesehen sein, um die Umgebungstemperatur bei der Berechnung der Temperatur der zu messenden Oberfläche im Modell zu berücksichtigen, wodurch die Genauigkeit weiter erhöht werden kann.

Ferner kann in dem Modell auch die Wärmeableitung von der Tastspitze an die Umgebung berücksichtigt werden, um die Genauigkeit der Bestimmung der Temperatur der zu messenden Oberfläche weiter zu verbessern.

Außerdem kann auch der Wärmewiderstand der Tastspitze, die Geometrie der Tastspitze und der Anordnung des Temperatursensors sowie die Wärmekapazität der Tastspitze und der thermisch daran gekoppelten Elemente berücksichtigt werden, um die Genauigkeit weiter zu erhöhen.

Zur Genauigkeitserhöhung kann ferner ein Wärmeflußsensor zum Erfassen des Wärmeflusses über die Tastspitze vorgesehen sein, wobei der erfaßte zeitliche Verlauf des Wärmeflusses in dem Modell berücksichtigt wird. Vorzugsweise ist der Wärmeflußsensor dabei ein piezoelektrisches Element, welches an dem hinteren Ende der Tastspitze angebracht ist.

Der Ansetzzeitpunkt der Tastspitze an die zu messende Oberfläche wird vorzugsweise mittels eines Kraftsensors erfaßt.

Ferner ist vorzugsweise ein Schwingungssensor zum Erfassen der Schwingungen der zu messenden Oberfläche vorgesehen, wobei in bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein einziges piezoelektrisches Element vorgesehen ist, was zugleich als Wärmeflußsensor, Schwingungssensor und Kraftsensor zum Erfassen des Ansetzzeitpunkts der Tastspitze an die zu messende Oberfläche dient. Dies stellt eine besonders einfache Ausgestaltung dar.

Bei dem erfindungsgemäßen Schwingungsmeßgerät gemäß Anspruch 25 ist vorteilhaft, daß mittels der frequenzabhängigen Ankoppelung einer zweiten seismischen Masse empfindliche Schwingungsmessungen in unterschiedlichen, ggfs. auch weit voneinander entfernt liegenden Frequenzbereichen empfindliche Schwingungsmessungen möglich sind.

Diese Ausgestaltung des Schwingungsmeßgeräts ist insbesondere in Kombination mit einer Temperaturmeßfunktion und/oder Höhenprofilabtastfunktion von Vorteil, wobei der Schwingungssensor dann auch als Kraftsensor für das Ansetzten der Meßspitze an die zu vermessende Oberfläche, als Wärmeflußsensor oder als Beschleunigungssensor zum Erfassen eines Höhenprofils, insbesondere eines Codeträgers, dient.

Vorzugsweise werden die beiden seismischen Massen und der Frequenzgang der Ankopplung an den Schwingungssensor bzw. Krafisensor so gewählt, daß eine erste Resonanzfrequenz des Gesamtsystems im Bereich unter 1 kHz liegt und eine zweite Resonanzfrequenz des Gesamtsystems im Ultraschallbereich liegt. Diese frequenzabhängige Ankopplung hat den Vorteil, daß durch die Ausbildung von zwei Resonanzen sowohl für eine gute Empfindlichkeit des Schwingungs- bzw. Kraftsensors sowohl im niederfrequenten als auch im hochfrequenten Bereich gesorgt werden kann.

Vorzugsweise wird das Meßgerät zur Lecküberwachung an Kondensatableitern verwendet.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Meßgeräts;

Fig. 2 schematisch den Frequenzgang bzw. die Empfindlichkeit des Signals des Piezoelements des in Fig. 1 gezeigten Meßgeräts;

Fig. 3 ein Beispiel für den erfaßten Temperaturverlauf an der Tastspitze des Meßgeräts von Fig. 1;

Fig. 4 den zeitlichen Verlauf der Ladung auf dem als Wärmeflußsensor verwendeten Piezoelement des Meßgeräts von Fig. 1; und

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Codeträgers zum Codieren von Information betreffend die Meßstelle, wobei außerdem der entsprechende zeitliche Verlauf des Signals beim Abtasten des Codeträgers mit der Tastspitze des Meßgerätes aus Fig. 1 dargestellt ist.

In Fig. 1 ist schematisch ein Meßgerät 10 zum Messen der Temperatur und der Schwingungen einer Oberfläche 12 eines Meßobjekts 14 dargestellt. Das Meßgerät 10 umfaßt einen manuell zu handhabenden stiftartigen Meßkopf 16 sowie eine damit über flexible elektrische Kabel 18 verbundene Auswerteeinheit 20. Der Meßkopf 16 umfaßt eine Tastspitze 22 aus einem starren, thermisch gut leitenden Material, einen thermisch an die Tastspitze 22 angekoppelten Temperatursensor 24, ein mit dem hinteren Ende der Tastspitze 22 starr verbundenes Piezoelement 26, eine starr mit dem Piezoelement 26 verbundene erste seismische Masse 28, eine über ein elastisches Koppelelement 30 elastisch mit der ersten seismischen Masse 28 verbundene zweite seismische Masse 32 sowie einen thermisch an die zweite seismische Masse 32 angekoppelten Hilfstemperatursensor 34. Ein weiterer Temperatursensor 36 ist mit der Auswerteeinheit 20 verbunden, um die Umgebungslufitemperatur zu erfassen. Die Temperatursensoren 24, 34 und 36 sind vorzugsweise als Halbleiterbauelemente ausgebildet.

Die zu messende Oberfläche 12 des Meßobjekts 14 ist mit einem Körnerschlag 38 versehen, in welchen die Tastspitze 22 manuell gesetzt wird, um die Temperatur und die Schwingungen der Oberfläche 12 zu erfassen.

Die starr mit dem Piezoelement 26 gekoppelte erste seismische Masse 28 ist wesentlich kleiner als die mittels des Koppelelements 30 elastisch an die erste seismische Masse 28 gekoppelte zweite seismische Masse 32. Die Ankopplung der ersten seismischen Masse 28 an das Piezoelement 26 ist im wesentlichen frequenzunabhängig, während die Ankopplung der zweiten seismischen Masse über das elastische Element 30, welches beispielsweise als Leiterplatte ausgebildet sein kann, wesentlich stärker frequenzabhängig ist, wobei die Ankopplung der zweiten seismischen Masse 32 an die erste seismische Masse 28, und damit an das Piezoelement 26, bei niedrigen Frequenzen wesentlich stärker als bei hohen Frequenzen ist. Der Zweck dieser Anordnung besteht darin, mittels der Tastspitze 22, dem Piezoelement 26 sowie den beiden seismischen Massen 28 und 30 ein Schwingungsmeßsystem zu schaffen, welches eine erste Resonanzfrequenz bei niedrigen Frequenzen und eine zweite Resonanzfrequenz bei hohen Frequenzen aufweist und somit in zwei getrennten Frequenzbereichen für empfindliche Messungen geeignet ist.

Fig. 2 ist eine beispielhafte schematische Darstellung des Frequenzgangs der Ladung an dem Piezoelement 26, d. h. im wesentlichen des Spannungssignals des Piezoelements 26, wobei im wesentlichen drei Frequenzbereiche A, B bzw. C zu unterscheiden sind. Eine erste Resonanzfrequenz liegt am oberen Ende des Niederfrequenzbereichs A bei etwa 1 kHz, wobei der Bereich A im wesentlichen für Wärmefluß- und Codeträger-Abtastmessungen sowie Messungen zum Ermitteln des Zeitpunkts des Aufsetzens der Tastspitze auf die zu messende Oberfläche 12 von Bedeutung ist, wie dies nachfolgend näher erläutert wird. Der sich an den Bereich A anschließende mittelfrequente Bereich B ist vorliegend nicht von Interesse und wird ausgeblendet. An den mittelfrequenten Bereich B schließt sich ein hochfrequenter Bereich C an, an dessen oberen Ende im Bereich von etwa 1 MHz eine zweite Resonanz angesiedelt ist. Der Bereich C dient zur Messung der Schwingungen der Oberfläche 12 des Meßobjekts 14. Bei dem Meßobjekt 14 handelt es sich vorzugsweise um einen Kondensatableiter, dessen Schwingungsverhalten mittels des Meßgeräts 10 gemessen wird, um Lecks zu ermitteln.

Fig. 3 zeigt einen beispielhaften Verlauf des Temperatursignals des Temperatursensors 24 nach dem Ansetzen der Tastspitze 22 an die zu messende Oberfläche 12. Nach dem Aufsetzen der Tastspitze 22 auf die Oberfläche 12 zum Zeitpunkt 0 findet zunächst bis zu einer Totzeit t₀ nur ein schwacher Temperaturanstieg statt. Diese Verzögerung ergibt sich im wesentlichen aus der Geometrie der Tastspitze 22, der örtlichen Anordnung des Temperatursensors 24 in einer gewissen Entfernung von der Aufsetzstelle der Tastspitze 22 sowie der Wärmekapazitäten der Tastspitze 22, dem Piezoelement 26 und den seismischen Massen 28 und 32. Nach Verstreichen der Totzeit t₀ setzt schließlich ein im wesentlichen linearer Anstieg der von dem Temperatursensor 24 erfaßten Temperatur ein, der nach Passieren eines Wendepunkts t₁ schließlich zunehmend flacher wird und sich asymptotisch einer stationären Endtemperatur T_max annähert.

Es ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung, die Temperatur der zu messenden Oberfläche 12 statt aus der stationären Maximaltemperatur T_max des Temperatursensors 24 bzw. der Tastspitze 22 aus dem Zeitverlauf der von dem Temperatursensor 24 erfaßten Temperatur nach dem Ansetzen der Tastspitze 22 mittels eines mathematischen Modells zu ermitteln. Dadurch kann eine größere Genauigkeit der Temperaturmessung erzielt werden, indem bestimmte Parameter, welche die stationäre Maximaltemperatur T_max beeinflussen, wie beispielsweise der Wärmewiderstand zwischen der Oberfläche 12 und der Tastspitze 22, berücksichtigt werden können. Weitere solche wichtigen Parameter sind die Umgebungslufitemperatur, die Wärmeableitung von der Tastspitze 22 an die Umgebung, der Wärmewiderstand der Tastspitze 22, die Geometrie der Tastspitze 22, die geometrische Anordnung des Temperatursensors 24, die Wärmekapazität der Tastspitze 22 und der thermisch daran gekoppelten Elemente (hier: das Piezoelement 26, die seismischen Massen 28 und 32 sowie das Koppelelement 30) sowie der Wärmewiderstand zwischen der Tastspitze 22 und dem Temperatursensor 24.

Die Auswerteeinheit 20 ist so ausgebildet, daß die in dem mathematischen Modell berücksichtigten Parameter zunächst in einem Lernvorgang an bekannten Oberflächen mit bekannten Temperaturen ermittelt und anschließend gespeichert werden. Die Ermittlung der Parameter erfolgt, indem der gemessene Temperaturverlauf an dem Sensor 24 mittels einer geeigneten Kurvenanpassungsprozedur angepaßt wird, woraus sich die entsprechenden Werte der Parameter ergeben. Insbesondere kann so beispielsweise der von Meßvorgang zu Meßvorgang variierende Wärmewiderstand zwischen der Tastspitze 22 und der zu messenden Oberfläche 12 unter Verwendung der ermittelten Parameter aus dem Verlauf des Anstiegs der von dem Temperatursensor 24 erfaßten Temperatur ermittelt werden und dann bei der Temperaturberechnung verwendet werden. Auf diese Weise hängt dann im Idealfall, im Gegensatz zu dem Oberflächentemperaturermittlungsverfahren aus der stationären Maximaltemperatur T_max die ermittelte Oberflächentemperatur nicht von dem Wärmewiderstand zwischen der zu messenden Oberfläche 12 und der Tastspitze 22 ab. Die Umgebungstemperatur kann dadurch berücksichtigt werden, daß sie von dem Temperatursensor 26 erfaßt wird.

Ferner wirkt das Piezoelement 26 auch als Wärmeflußsensor zum Erfassen des Wärmeflusses über die Tastspitze 22, so daß der erfaßte zeitliche Verlauf des Wärmeflusses in dem Modell berücksichtigt werden kann. Dabei wird ausgenutzt, daß eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Elektroden des Piezoelements 26, die einem bestimmten Wärmefluß durch das Piezoelement 26 hindurch entspricht, über eine entsprechende Ladungstrennung, und damit über ein entsprechendes Spannungssignal, erfaßt werden kann.

In Fig. 4 ist in schematischer Weise beispielhaft der zeitliche Verlauf der an dem Piezoelement 26 erfaßten Piezoladung dargestellt. Auch hier tritt wie bei dem Temperaturverlauf an dem Temperatursensor 24 zunächst aufgrund der Geometriefaktoren eine Verzögerungszeit auf, bevor die Piezoladung bis zu einem Maximalwert Q_max annähernd linear ansteigt und danach wieder abfällt. Mittels des Hilfstemperatursensors 34 kann ferner die Temperatur der größeren seismischen Masse 32 in Abhängigkeit von der seit dem Ansetzen der Spitze 22 verstrichenen Zeit ermittelt werden. Auch diese beiden zusätzlich erfaßten zeitlichen Verläufe des von dem Piezoelement 26 erfaßten Wärmeflusses sowie der von dem Hilfstemperatursensor 34 erfaßten Temperatur der seismischen Masse 32 können in der gleichen Weise wie der von dem Temperatursensor erfaßte Temperaturverlauf an der Tastspitze 22 einer Kurvenanpassung mit Parametern unterworfen werden, um ein möglichst realistisches Modell des Meßsystems zu ermitteln, welches dann bei dem mathematischen Modell zur Ermittlung der Oberflächentemperatur verwendet wird.

Bei dem einfachsten Verfahren zur Ermittlung der Oberflächentemperatur wird aus der oben beschriebenen Kurvenanpassung der Wärmewiderstand zwischen der zu messenden Oberfläche 12 und der Abtastspitze 22 sowie die Steigung des von dem Temperatursensor 24 erfaßten Temperaturanstiegs der Tastspitze 22 in dem Wendepunkt t₁ ermittelt, wobei diese Steigung als proportional zu der Differenz zwischen der Temperatur der zu messenden Oberfläche 12 und der anfänglichen Temperatur der Tastspitze 22 sowie proportional zu dem Wärmewiderstand zwischen der zu messenden Oberfläche 12 und der Tastspitze 22 angenommen wird und die Temperatur der Oberfläche 12 schließlich aus dieser Steigung im Wendepunkt t₁ berechnet wird.

Der Zeitpunkt des Ansetzens der Tastspitze 22 an die zu messende Oberfläche 12 wird von der Auswerteeinheit 20 durch das Auftreten eines entsprechenden Spannungssignals an dem Piezoelement 26 erfaßt.

Vorzugsweise ist die Auswerteeinheit 20 ferner mit einer Funktion versehen, welche das Decodieren eines entsprechenden Codeträgers 40, wie er in Fig. 5 beispielhaft dargestellt ist, erlaubt. Ein solcher Codeträger 40 wird verwendet, um die Auswerteeinheit 20 mit Information bezüglich des Meßobjekts 14 bzw. der speziellen Meßstelle 38 zu versorgen. Der Codeträger 40 ist so ausgebildet, daß die Information durch definierte, beim Abtasten erfaßbare Höhenniveaus codiert ist, d. h. die Information ist durch das Höhenprofil des Codeträgers 40 codiert. Bei der in Fig. 5 gezeigten Ausführungsform des Codeträgers 40 sind insgesamt drei unterschiedliche Höhenniveaus vorgesehen, wobei die Information in binärer Form codiert ist. Der Codeträger 40 umfaßt mehrere Codierbereiche 42, in denen die eigentliche Information, d. h. eine "Null" oder "Eins", codiert ist, welche nebeneinanderliegend in einer Reihe angeordnet sind und jeweils durch einen Zwischenbereich 44 voneinander getrennt sind. Der Codeträger wird vorzugsweise durch entsprechendes Ätzen eines Ätzblechs erzeugt.

In jedem Codierbereich 42 ist anfänglich ein balkenförmiges Codierelement 46 vorhanden, dessen Oberflächenniveau tiefer als das Oberflächenniveau der Zwischenbereiche 44 liegt. Jedem Codierbereich 42 mit vorhandenem Codierelement 46 ist im vorliegenden Beispiel eine "Null" zugeordnet. Eine "Eins" wird in einen Codierbereich codiert, indem das entsprechende Codierelement 46 herausgebrochen wird. Die Codierelemente 46 haben zu diesem Zweck ein freies Ende, welches über den Rand der Zwischenbereiche 44 hinausragt, sowie eine Sollbruchstelle an dem entgegengesetzten Ende, mit welchem sie an dem Codeträger 40 befestigt sind. Das Codieren des Codeträgers 40, d. h. das Herausbrechen der entsprechenden Codierelemente 46 zwecks Erzeugen einer logischen "Eins", erfolgt in der Regel vor dem Anbringen des Codeträgers 40 nahe der vorgesehenen Meßstelle für das Meßgerät 10. Der Codeträger 40 kann anschließend auf die Oberfläche 12 aufgeklebt werden, oder er kann z. B. mittels einer Tasche in der Nähe der Meßstelle angebracht werden. Vor der Temperatur- bzw. Schwingungsmessung durch das Meßgerät 10 wird die in dem Codeträger 40 codierte Information dadurch durch das Meßgerät 10 erfaßt, daß die Tastspitze 22 an dem entsprechenden Ende des Codeträgers 40 aufgesetzt wird und dann manuell quer über die nebeneinanderliegenden Codierbereiche 42 bewegt wird. Bei diesem berührenden Abtastverfahren folgt die Tastspitze 22 im wesentlichen der Oberflächenstruktur des Codeträgers 40, wobei das Piezoelement 26 in Verbindung mit den beiden seismischen Massen 28 und 32 als Beschleunigungssensor wirkt und die Beschleunigung der Tastspitze 22 in vertikaler Richtung erfaßt. Da diese Messung im niederfrequenten Bereich erfolgt, ist die schwere seismische Masse 32 im wesentlichen fest an die leichte seismische Masse 28 und damit an das Piezoelement 26 gekoppelt, so daß die schwere seismische Masse 32 die Resonanzfrequenz und damit die Empfindlichkeit bestimmt. Das von dem Piezoelement 26 abgegebene Beschleunigungssignal wird in der Auswerteeinheit 20 aufintegriert, wodurch man schließlich ein Wegsignal erhält, welches die Oberflächenstruktur, d. h. das Höhenprofil, des Codeträgers 40 abbildet, siehe unterer Teil von Fig. 5, wo das Vertikalwegsignal über dem lateralen Ort dargestellt ist. Aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß die Auswerteeinheit 20 insgesamt drei verschiedene Höhenniveaus erfaßt: ein erstes Niveau, welches der Oberfläche der Zwischenbereiche 44 entspricht und als Referenzniveau dient (h₀), ein zweites Niveau, welches von der Oberfläche der nicht herausgebrochenen Codierelemente 46 bestimmt wird und eine logische "Null" codiert (h₁) sowie ein drittes Niveau, welches von der Tastspitze 22 in den Codierbereichen 42 erfaßt wird, in welchen das Codierelement 46 herausgebrochen wurde (h₂), wobei dieses dritte Niveau eine logische "Eins" codiert. Das dritte Niveau wird dabei durch die Breite der Codierbereiche 42 und die Form der Tastspitze 22 bestimmt, liegt jedoch in jedem Fall tiefer als das Niveau der Codierelemente 46. Je nachdem, ob die Auswerteeinheit 20 ein Niveau h₁ oder ein Niveau h₂ erfaßt, wird dies als logische "Null" bzw. logische "Eins" decodiert. Die Zwischenbereiche 44 mit ihrem Niveau h₀ dienen dabei als Trennelemente bzw. "Spacer" zwischen zwei Logikpegeln. Auf diese Weise hängt die Erfassung des Höhenprofils des Codeträgers 40 und dessen Decodierung im Gegensatz zu einer herkömmlichen Barcode- Codierung, bei welcher die Breite eines schwarzen Balkens dafür ausschlaggebend ist, ob eine "Null" oder eine "Eins" decodiert wird, geschwindigkeitsunabhängig, da sich die einzelnen Codierbereiche 42 nicht durch ihre Breite, sondern durch ihr Höhenniveau, welches von der Spitze 22 erfaßt wird, unterscheiden.

Bei der vorliegenden Erfindung kann das Piezoelement 26 somit insgesamt vier verschiedene Funktionen erfüllen: 1. als Wärmeflußsensor bei der Temperaturmessung der Oberfläche 12, 2. als Schwingungssensor bei der Schwingungsmessung der Oberfläche 12, 3. als Stoßsensor zum Erfassen des Zeitpunkts des Aufsetzens der Tastspitze 22 auf die Oberfläche 12 und 4. als Beschleunigungssensor zum berührenden Abtasten eines Codierträgers 40, in welchem Information bezüglich des Meßobjekts 14 bzw. der Meßstelle 38 enthalten ist.

Die Ausgestaltung des Schwingungssensors 26 mit zwei unterschiedlichen und frequenzabhängig unterschiedlich an den Schwingungssensor 26 gekoppelten seismischen Massen ist grundsätzlich nicht auf die beschriebene Kombination mit einer Temperaturmessung und/oder Codeträgerabtastung beschränkt.

Bezugszeichenliste

10

Meßgerät

12

messende Oberfläche

14

Meßobjekt

16

Meßkopf

18

elektrische Kabel

20

Auswerteeinheit

22

Tastspitze

24

Temperatursensor für

22

26

Piezoelement

28

,

32

seismische Massen

30

elastisches Koppelelement

34

Hilfstemperatursensor

36

Umgebungstemperatursensor

38

Körnerschlag

40

Codeträger

42

Codierbereiche

44

Zwischenbereiche

46

Codierelement

Claims

1. Meßgerät zum Erfassen der Temperatur und der Schwingungen einer Oberfläche (12), mit einer Tastspitze (22) zum Ansetzen an die zu messende Oberfläche, einem Schwingungssensor (26) zum Erfassen der Schwingungen der Tastspitze sowie einem Temperatursensor (24) zum Erfassen der Temperatur der Tastspitze.

2. Meßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswerteeinheit (20) zur Ermittlung der Temperatur der zu messenden Oberfläche (12) vorgesehen ist, die so ausgebildet ist, daß sie die Temperatur der zu messenden Oberfläche aus dem Zeitverlauf der an der Tastspitze (22) erfaßten Temperatur nach dem Ansetzen der Tastspitze mittels eines mathematischen Modells ermittelt.

3. Meßgerät zum Erfassen der Temperatur einer Oberfläche (12), mit einer Tastspitze (22) zum Ansetzen an die zu messende Oberfläche und einem Temperatursensor (24) zum Erfassen der Temperatur der Tastspitze, sowie einer Auswerteeinheit (20) zur Ermittlung der Temperatur der zu messenden Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (20) so ausgebildet ist, daß sie die Temperatur der zu messenden Oberfläche (12) aus dem Zeitverlauf der an der Tastspitze (22) erfaßten Temperatur nach dem Ansetzen der Tastspitze mittels eines mathematischen Modells ermittelt.

4. Meßgerät nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (20) so ausgebildet ist, daß die im Modell berücksichtigten Parameter in einem Lernvorgang an bekannten Oberflächen mit bekannten Temperaturen ermittelt werden und im Meßgerät (10) gespeichert werden.

5. Meßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Modell der Wärmewiderstand zwischen der Tastspitze (22) und der zu messenden Oberfläche (12) berücksichtigt wird, wobei der Wärmewiderstand aus dem Verlauf des Anstiegs der an der Tastspitze erfaßten Temperatur ermittelt wird.

6. Meßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Anstiegs der an der Tastspitze (22) erfaßten Temperatur im Wendepunkt (t₁) als proportional zu dem Produkt aus der Differenz zwischen der Temperatur der zu messender Oberfläche (12) und der anfänglichen Temperatur der Tastspitze und dem Wärmewiderstand zwischen zu messender Oberfläche und Tastspitze betrachtet wird und die Oberflächentemperatur aus der Steigung im Wendepunkt berechnet wird.

7. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher Temperatursensor (36) zum Erfassen der Umgebungstemperatur vorgesehen ist und diese im Modell bei der Berechnung der Temperatur der zu messenden Oberfläche (12) berücksichtigt wird.

8. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeableitung von der Tastspitze (22) an die Umgebung im Modell bei der Berechnung der Temperatur der zu messenden Oberfläche (12) berücksichtigt wird.

9. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmewiderstand der Tastspitze (22), die Geometrie der Tastspitze und der Anordnung des Temperatursensors (24) sowie die Wärmekapazität der Tastspitze und der thermisch daran gekoppelten Elemente (26, 28, 30, 32) berücksichtigt werden.

10. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärmeflußsensor (26) zum Erfassen des Wärmeflusses über die Tastspitze (22) vorgesehen ist und der erfaßte zeitliche Verlauf des Wärmeflusses in dem Modell berücksichtigt wird.

11. Meßgerät nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeflußsensor (26) ein piezoelektrisches Element ist.

12. Meßgerät nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeflußsensor (26) am hinteren Ende der Tastspitze (22) angebracht ist.

13. Meßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ansetzzeitpunkt (t₀) der Tastspitze (22) an die zumessende Oberfläche (12) mittels eines Kraftsensors erfaßt wird.

14. Meßgerät nach Anspruch 3 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schwingungssensor (26) zum Erfassen der Schwingungen der zu messenden Oberfläche (12) vorgesehen ist.

15. Meßgerät nach Anspruch 13, sofern auf Anspruch 1 oder 2 bezogen, oder Anspruch 14, sofern auf Anspruch 13 bezogen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftsensor (26) auch als der Schwingungssensor verwendet wird.

16. Meßgerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste seismische Masse (28), die an den Kraft- bzw. Schwingungssensor (26) gekoppelt ist, und eine zweite seismische Masse (32) vorgesehen sind, wobei die Ankoppelung der zweiten seismischen Masse an den Kraft- bzw. Schwingungssensor stärker frequenzabhängig als die Ankoppelung der ersten seismischen Masse an den Kraft- bzw. Schwingungssensor ist.

17. Meßgerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelung der zweiten seismischen Masse (32) bei niedrigen Frequenzen wesentlich stärker ist als bei hohen Frequenzen.

18. Meßgerät nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die erste seismische Masse (28), die zweite seismische Masse (32) und der Frequenzgang der Ankoppelung der zweiten seismischen Masse an den Kraft- bzw. Schwingungssensor (26) so gewählt sind, daß eine erste Resonanzfrequenz des Gesamtsystems im Bereich unter 1 kHz liegt und eine zweite Resonanzfrequenz des Gesamtsystems im Ultraschallbereich liegt.

19. Meßgerät nach Anspruch 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Krafisensor bzw. Schwingungssensor ein piezoelektrisches Element (26) ist.

20. Meßgerät nach Anspruch 19, sofern auf Anspruch 10 bezogen, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrisches Element (26) auch als der Wärmeflußsensor wirkt.

21. Meßgerät nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (20) mittels des piezoelektrischen Elements (26) zum berührend abtastenden Decodieren eines Codeträgers (40) ausgebildet ist.

22. Meßgerät nach Anspruch 16 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfstemperaturfühler (34) zum Erfassen der Temperatur mindestens einer der seismischen Massen (32) vorgesehen ist, welche in dem Modell berücksichtigt wird.

23. Verwendung eines Meßgeräts gemäß Anspruch 1 bis 22 zur Lecküberwachung an Kondensatableitern.

24. Verfahren zum Ermitteln der Temperatur einer Oberfläche (12), wobei eine Tastspitze (22) an die zu messende Oberfläche angesetzt wird, mittels eines Temperatursensors (24) der zeitliche Verlauf der Temperatur der Tastspitze nach dem Ansetzen ermittelt wird, und mittels einer Auswerteeinheit die Temperatur der zu messenden Oberfläche aus dem ermittelten Zeitverlauf der Tastspitzentemperatur mittels eines mathematischen Modells ermittelt wird.

25. Meßgerät für Schwingungsmessungen, mit einem Schwingungssensor (26), einem Element (22) zum Aufnehmen und Weiterleiten von Schwingungen zu dem Schwingungssensor, sowie einer ersten seismischen Masse (28), die an den Schwingungssensor gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite seismische Masse (32) vorgesehen ist, deren Ankoppelung an den Schwingungssensor (26) stärker frequenzabhängig als die Ankoppelung der ersten seismischen Masse an den Schwingungssensor ist.

26. Meßgerät nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelung der ersten seismischen Masse (28) an den Schwingungssensor (26) im wesentlichen frequenzunabhängig ist.

27. Meßgerät nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelung der zweiten seismischen Masse (32) bei niedrigen Frequenzen wesentlich stärker ist als bei hohen Frequenzen.

28. Meßgerät nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite seismische Masse (32) wesentlich größer als die erste seismische Masse (28) ist.

29. Meßgerät nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die erste seismische Masse (28), die zweite seismische Masse (32) und der Frequenzgang der Ankoppelung der zweiten seismischen Masse an den Schwingungssensor (26) so gewählt sind, daß eine erste Resonanzfrequenz des Gesamtsystems im Bereich unter 1 kHz liegt und eine zweite Resonanzfrequenz des Gesamtsystems im Ultraschallbereich liegt.

30. Meßgerät nach Anspruch 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite seismische Masse (32) dadurch an den Schwingungssensor (26) angekoppelt ist, daß sie an die erste seismische Masse (28) angekoppelt ist.

31. Meßgerät nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Ankoppelung der zweiten seismischen Masse (32) an die erste seismische Masse (28) über ein elastisches Element (30) erfolgt.

32. Meßgerät nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element (30) eine Leiterplatte ist.

33. Meßgerät nach Anspruch 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingungssensor (26) ein piezoelektrisches Element ist.

34. Meßgerät nach Anspruch 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß das Schwingungsaufnahme- und -weiterleitungselement (22) als Tastspitze zum Ansetzen an eine zu messende Oberfläche (12) ausgebildet ist.

35. Meßgerät nach Anspruch 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (10) zur berührenden Abtastung und Decodierung eines Codeträgers (40) ausgebildet ist.

36. Meßgerät nach Anspruch 35, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Codeträger (40) die Information in dem Höhenprofil seiner Oberfläche codiert ist, wobei der Schwingungssensor (26) die axiale Beschleunigung der Tastspitze beim Abtasten der Oberfläche des Codeträgers erfaßt.

37. Meßgerät nach Anspruch 25 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (10) zur berührenden Erfassung der Temperatur einer Oberfläche (12) ausgebildet ist.

38. Meßgerät nach Anspruch 37, dadurch gekennzeichnet, daß ein Temperatursensor (24) zum Erfassen der Temperatur der Tastspitze (22) sowie eine Auswerteeinheit (20) zur Ermittlung der Temperatur der zu messenden Oberfläche (12) vorgesehen sind, wobei die Auswerteeinheit so ausgebildet ist, daß sie die Temperatur der zu messenden Oberfläche aus dem Zeitverlauf der an der Tastspitze erfaßten Temperatur nach dem Ansetzen der Tastspitze mittels eines mathematischen Modells ermittelt.

39. Meßgerät nach Anspruch 38, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät (10) so ausgebildet ist, daß der Schwingungssensor (26) das Ansetzen der Tastspitze (22) auf der Oberfläche (12) erfaßt.