DE19923014A1 - Flexibler Oberflächentemperaturfühler - Google Patents

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturfühler der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem die Oberflächentemperatur möglichst großflächig und mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann, der kostengünsig herstellbar und universell einsetzbar ist. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß als Temperatursensoren (1) mehrere diskrete Meßwiderstände angeordnet sind, die auf der flexiblen Unterlage befestigt und in Form von Reihen- und/oder Parallelschaltungen über Leiterbahnen elektrisch miteinander verbunden sind. DOLLAR A Die Erfindung betrifft einen Oberflächentemperaturfühler, bei dem auf einer flexiblen Unterlage ein metallischer Leiter als Temperatursensor angebracht ist und der mit einer Anschlußleitung versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Oberflächentemperaturfühler, bei dem auf einer flexiblen Unterlage ein metallischer Leiter als Temperatursensor angebracht ist und der mit einer Anschlußleitung versehen ist.

Die berührende Messung der Oberflächentemperatur von festen Körpern, die an gasförmige Medien, z. B. an Luft angrenzen, ist besonders schwierig, weil der feste Körper über seine Oberflächen einen ständigen Wärmeaustausch mit seiner Umgebung vollzieht und zwar um so intensiver je größer die Temperaturdifferenz zwischen Umgebungstemperatur und Körpertempera­ tur ist und weil die Oberfläche des festen Körpers, insbesondere der Teil an der die Oberflächenmessung vollzogen wird - die Meßfläche - durch seine geometrische Charakteristik bestimmte Anforderungen an die meßempfindli­ che Fläche des Berührungsthermometers stellt und damit alle Oberflächen­ faktoren den Meßfehler beeinflussen.

Maßgebend für die Größe des Meßfehlers ist in erster Linie die Wärmeleitfä­ higkeit des zu messenden Körpers und unter bestimmten Bedingungen auch seine Masse bzw. Wärmekapazität. Zur Verringerung des Meßfehlers ist außerdem ein möglichst verlustloser Wärmeübergang vom zu messenden Körper auf den Temperaturfühler erforderlich.

Temperaturfühler der eingangs genannten Art sind im Stand der Technik in verschiedenen Ausführungen bekannt. Beispielsweise sind in DE 43 29 312 A1, DE 41 04 674 A 1 und in DE 42 43 261 A1 Temperaturfühler beschrieben, die auf verschiedene Art und Weise mit der zu messenden Oberfläche in Kontakt gebracht werden können. Dies erfolgt z. B. durch Anlegen per Hand oder durch Befestigen mit speziellen Klebern, mit Schraubverbindungen und dergleichen. Für die Temperatursensoren werden vorzugsweise Platinmeßwiderstände und Thermistoren verwendet, die häufig auch in Mehrfachanordnungen eingesetzt werden.

Im Stand der Technik sind ferner verschiedene flexible Oberflächentempera­ turfühler mit Meßfühlern in Dünnschicht- und Drahttechnik bekannt. Für Messungen mit hoher Genauigkeit werden zur Oberflächentemperaturmes­ sung bevorzugt Folienthermometer mit Drahtmeßwiderständen verwendet. Die Folienthermometer zeichnen sich infolge ihres flachen Aufbaus durch eine geringe Wärmekapazität und infolge ihrer Flexibilität durch einen guten Wärmeübergang von der zu messenden Oberfläche zum Thermometer aus. Sie ermöglichen durch Aufkleben an der zu messenden Oberfläche eine einfache Befestigung.

Bei Folienmeßwiderständen ist jedoch nachteilig, daß sie in Abhängigkeit von der Dilatation der zu messenden Oberfläche einen dehnungsabhängigen Fehler aufweisen. Je größer die Anlagefläche des Folienmeßwiderstandes ist, um so stärker wirken sich die Dilatationen des festen Körpers aus. Die Vergrößerung der Berührungsfläche wirkt damit der angestrebten Verringe­ rung des Meßfehlers durch den günstigen Wärmeübergang des großflächi­ gen Folienmeßwiderstandes entgegen.

Unabhängig vom konstruktiven Aufbau des Oberflächentemperatursensors und unabhängig von der Art der Befestigung verbleibt ein Restfehler, der gemäß VDI/VDE 3511 Blatt 5, z. B. bei dünnen Thermodrahtpaaren mit einem Durchmesser von 0,1 mm, etwa 1% und bei Thermodrähten mit lmm Durchmesser immerhin 3% des Temperaturunterschiedes zwischen Oberflä­ chen- und Umgebungstemperaturen betragen kann.

Die im Stand der Technik bekannten Folienmeßwiderstände sind insbesond­ ere dadurch nachteilbehaftet, daß die Herstellung der Fühler kostenintensiv und aufwendig ist, die Fühler entweder dehnungsabhängig sind oder nur eine geringe Meßoberfläche aufweisen. Die Fühler weisen deshalb einen anbau- und umgebungsbedingten Restfehler auf, der bei bestimmten Umgebung­ stemperaturen weit über die Normaltoleranz des Elementes hinausgeht. Ferner ist nachteilig, daß die Kalibrierung kostenintensiv ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Temperaturfühler der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem die Oberflächentemperatur möglichst großflächig und mit hoher Genauigkeit erfaßt werden kann, der kostengünstig herstellbar und universell einsetzbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäßen flexiblen Oberflächentemperaturfühler sind vorzugs­ weise einsetzbar für allgemeine Oberflächentemperaturmessungen an gewölbten Oberflächen, für Messungen an Rohrleitungen, bei Oberflächen­ temperaturfühlern mit einer Vielzahl von diskreten SMD-Bauelementen, insbesondere zur Oberflächenüberwachung an Containern und großen Siloflächen sowie zur Mittelwertbildung in flexiblen Rohrleitungen oder Schläuchen, z. B. auch in Silomeßpendeln. Die flexiblen rechteckigen Tempe­ raturfühler können vorteilhaft auch in Nutenfühlern eingegossen werden.

Die erfindungsgemäße Anordnung zeichnet sich durch den Vorteil aus, daß sie weitgehend unabhängig von Dehnungseffekten ist, welche sich durch die Ankopplung des Oberflächentemperaturfühlers auf einen festen Körper ergeben, der sich in Folge von Wärmeeinflüssen ausdehnt oder zusammen­ zieht. Darüber hinaus ermöglicht sie es, den Temperatureinfluß großflächig zu erfassen und damit den Wärmeübergang verlustarm zu gestalten. Der erfindungsgemäße Temperaturfühler ist mindestens in eine, gegebenenfalls auch in zwei Richtung biegsam.

Ferner ist es möglich, den Temperaturfühler für bestimmte Applikationen abgleichbar zu gestalten, so daß der anbau- und umgebungstemperaturbe­ dingte Einfluß minimiert werden kann.

Vorteilhaft ist insbesondere, daß äußerst kleine diskrete Sensoren verwendet werden, die infolge ihrer kompakten Bauweise weitgehend unabhängig von Dehnungen sind. Ein günstiger Wärmeübergang auf die diskreten Sensoren wird durch entsprechend große Lötpads für die Sensoren erzielt, die mindestens fünfmal so groß sind wie die Fläche des Sensors, wobei der Übergang von den Lötpads zum Sensor über großflächige Polkappen erfolgt. Die Verschaltung der diskreten Sensoren erfolgt untereinander so, daß sich für den Gesamtwiderstand die üblichen Widerstandswerte, vorzugs­ weise 100 Ohm, 500 Ohm oder 1000 Ohm ergeben. Dies kann in einfacher Weise mit handelsüblichen Meßwiderständen durch entsprechende Reihen- und/oder Parallelschaltungen erzielt werden. Die Gestaltung der Leiterzüge zwischen den diskreten Sensoren ist auf unterschiedliche Weise erzielbar, so daß bei großflächigen Ausführungen der flexiblen Unterlage seitliche Einschnitte in die Folie eingebracht werden können. Damit ist die Gesamtfo­ lie an bestimme gewölbte Oberflächen gut anschmiegsam. Von Vorteil sind auch aufgebrachte Abgleichmatrizen, mit denen der Oberflächenmeßwider­ stand bezogen auf einen bestimmten Applikationsfall auch unter Berücksich­ tigung der Zuleitung im nachhinein abgeglichen werden kann.

Der Abgleich erfolgt in der Weise, daß der Widerstandsgrundwert (vorzugs­ weise der Nennwert bei 0°C, der sogenannte R₀-Wert) einer Solltemperatur bei den jeweiligen konkreten Anbau- und Umgebungsbedingungen, zugeord­ net wird. Durch die Reihen- und Parallelschaltungsanordnung der Sensoren kann bei der Verwendung von Sensoren mit erhöhtem Temperaturkoeffizi­ enten auch der gesamte Temperaturkoeffizient beeinflußt werden und in auf einen gewünschten Wert gebracht werden.

Da der Meßfehler der Oberflächentemperaturmessung durch die obenge­ nannte Vielzahl der Einflüsse nicht genau vorherbestimmt werden kann, wird erst durch den applikationsnahen Abgleich, den die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht, eine präzise Oberflächentemperaturmessungen erreicht.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen flexiblen Oberflächentemperaturfühler mit Leiter­ struktur und 4facher SMD-Bestückung in Schmetterlingsform,

Fig. 2 die Anordnung des mittigen Kabelabgangs eines Oberflä­ chenfühlers in Schmetterlingsform,

Fig. 3 einen auf einem Band angeordneten flexiblen Mittelwertfüh­ ler mit n Elementen,

Fig. 4 einen flexiblen Fühler mit 100 Ohm Gesamtwiderstand, der aus zehn 1000-Ohm-Elementen gebildet wird,

Fig. 5 einen flexiblen Stufenfühler mit n Sensorelementen und einem gemeinsamen Rückleiter,

Fig. 6 ein Nutenwiderstandsthermometer mit flexibler Sensor­ anordnung und Abgleichmatrix,

Fig. 7 bekannte Ausführungsformen von Folientemperaturfühlern mit Drahtwiderständen als Sensoren und

Fig. 8 einen flexiblen Rohrbandfühler mit vier diskreten SMD-Ele­ menten und einer Abgleichmatrix.

In Fig. 1 ist ein flexibler Oberflächentemperaturfühler dargestellt, der eine quadratische Form aufweist. Auf der schmetterlingsförmig ausgebildeten Folie sind vier Sensoren 1 symmetrisch angeordnet. Als Sensoren 1 sind hier SMD-Pt-100-Elemente aufgebracht, die durch eine Kombination von Reihen- und Parallelwiderständen ein Gesamtwiderstandswert von 100 Ohm ergeben. In die Schaltungsanordnung sind zwei Abgleichmatrizen 3 einge­ bunden, mit denen der R₀-Wert sowohl erhöht als auch verringert werden kann. Die Abgleichmatrizen 3 weisen zur Veränderung ihres elektrischen Widerstandes Bypässe und Kurzschlußstrecken auf, die durchtrennbar bzw. mit Lot überbrückbar sind. Mit den beiden Abgleichmatrizen 3 können auch Fehler ausgeglichen werden, die durch Sensoren 1 mit erweiterten Toleranz­ grenzen oder durch Toleranzen der Leitungswiderstände der Kabelan­ schlüsse sowie durch den statisch thermischen Anbaufehler entstehen. Auf diese Weis gelingt es, einen genauen Temperaturfühler besonders preisgün­ stig herzustellen. Um ein anschmiegsames Anlegen der Folie an den zu messenden Körper zu erzielen, ist der Oberflächentemperaturfühler an den Seiten mit vier Schlitzen 2 versehen. Die Anschlußstelle 4 für das Kabel 5 befindet sich in der Mitte des Fühlers.

Die Anordnung des Kabels 5 am Oberflächentemperaturfühler ist aus Fig. 2 ersichtlich. Die schmetterlingförmige Gestaltung des flexiblen Oberflächen­ fühlers ermöglicht den mittigen Kabelabgangs, wodurch ein nahezu symetri­ sches Temperaturfeld entsteht.

Fig. 3 erläutert einen Oberflächentemperaturfühler, der rechteckförmig ausgebildet ist und als Meßband ausgeführt ist. Die Anschlußstellen 4 für die Anschlußkabel sind symmetrisch zur Mittelachse des Bandes angeordnet. Die hier nicht dargestellten Anschlußkabel verlaufen in Richtung der Flächennormale auf die Oberfläche des Oberflächentemperaturfühlers. Auf der flexiblen Folie 6 sind vier SMD-Pt-100-Widerstände aufgelötet, deren Reihen-Parallelschaltungs-Widerstand einen Wert von 100 Ohm ergibt. Die hintereinander angeordnete Lage der Sensoren 1 und die Anordnung des Anschlußkabels 5 auf der Oberseite des Temperaturfühlers ermöglicht den Einsatz des Fühlers als Anlegemanschette für Rohrleitungen. Durch die mehrfache Anordnung von n Sensoren 1 einen auf dem flexiblen Band 6 kann die Anordnung als mittelwertbildender Fühler mit n Elementen verwen­ det werden. An den Verkettungsstellen 8 können die Einzelanordnungen der Widerstandsgruppen miteinander verbunden werden.

Im allgemeinen sind die Reihen- und Parallelschaltungen so ausgelegt, daß sich ein Gesamtwiderstand von 100 Ohm oder 1000 Ohm, gegebenenfalls auch 500 Ohm, ergibt. Hierzu werden jeweils zwei parallel geschaltete 100-Ohm-Meßwiderstände hintereinander angeordnet. Die Schaltungsanord­ nung kann mehrfach hintereinander geschaltet werden, so daß beispiels­ weise bei 16 Widerständen durch mehrfache Kombination von Reihen- und Parallelschaltungen wieder ein Gesamtwiderstand von 100 Ohm erreicht wird. Auf diese Weise sind beliebig lange Meßwiderstände herstellbar. Ein 100-Ohm-Meßwiderstand ist auch durch die Addition dreier Parallelschal­ tungen mit jeweils 100 Ohm in einem dreifachen Parallelzweig erreichbar.

Fig. 4 zeigt die Anordnung einer Vielzahl von Meßwiderständen 1 auf einem Band, das in beliebiger Länge hergestellt werden kann. Mit dieser Anordnung können auf der flexiblen Folie 6 besonders lange Temperaturfüh­ ler hergestellt werden. Dabei ist vorteilhaft, daß mit der Erhöhung der Anzahl der diskreten Elemente in Folge der sich einstellenden Mittelwertbil­ dung eine Erhöhung der Meßgenauigkeit erreicht wird.

In Fig. 5 ist eine Ausführung in Form eines flexiblen Stufenfühlers mit n Sensorelementen 1 dargestellt, die mit einem gemeinsamen Rückleiter 7 elektrisch verbunden sind.

Fig. 6 erläutert ein Beispiel für die Anwendung in einem Nutenwider­ standsthermometer mit flexibler Anordnung der Sensoren 1 und Abgleichmatrix 3. Die Sensoren 1 und die Abgleichmatrix 3 sind in einem Grundkörper 9 mit U-profil auf der flexiblen Folie 6 angeordnet. die Anord­ nung wird mit der Deckplatte 10 verschlossen. Das Anschlußkabel 5 wird seitlich aus dem Thermometer herausgeführt.

Fig. 7 zeigt vergleichsweise Fig. 7 bekannte Ausführungsformen von Folienfühlern mit Drahtwiderständen als Sensoren.

In Fig. 8 ist ein flexibler Rohrbandfühler in zwei Ansichten dargestellt. Hierbei sind vier Sensoren 1 in Form von diskreten SMD-Elementen und die Abgleichmatrix 3 auf der flexiblen Folie 6 angeordnet. Die Anordnung kann um ein Rohr gelegt und mit Bohrungen, die in der flexiblen Folie 6 angebracht sind, befestigt werden. Das Anschlußkabel wird an den Anschlußstellen 4 angelötet und nach außen geführt.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Sensor (

1.1

. . .

1

. n)

2

Schlitz

3

Abgleichmatrix

4

Anschlußstelle für Kabel

5

Kabel

6

flexible Folie

7

gemeinsamer Rückleiter

8

Verkettungsstelle

9

Grundkörper

10

Deckplatte

11

Wicklung

12

Anschlußdrähte

Claims (6)

1. Oberflächentemperaturfühler, bei dem auf einer flexiblen Unterlage ein elektrischer Leiter als Temperatursensor (1) angebracht ist, welcher mit einem Anschlußkabel (5) elektrisch verbunden ist, dadurch gekennzeich­ net, daß als Temperatursensoren (1) mehrere diskrete Meßwiderstände angeordnet sind, die auf der flexiblen Unterlage befestigt und in Form vom Reihen- und/oder Parallelschaltungen über Leiterbahnen elektrisch miteinan­ der verbunden sind.

2. Oberflächentemperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als Meßwiderstände dünn beschichtete Keramikmeßwiderstände, die mit leitenden Polkappen versehen sind, angeordnet sind.

3. Oberflächentemperaturmeßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf der flexiblen Unterlage eine elektrische Leiter­ struktur angebracht ist, auf der die Meßwiderstände aufgelötet sind.

4. Oberflächentemperaturmeßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß an der elektrischen Leiterstruktur Anschlußstellen (4) angebracht sind, an denen die Polkappen der Meßwiderstände aufgelötet sind, wobei die Fläche der Anschlußstellen (4) mindestens dem Fünffachen der Fläche des Meßwiderstandes entspricht.

5. Oberflächentemperaturmeßfühler nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leiterstruktur mindestens eine Abgleichmatrix (3) angeordnet ist.

6. Oberflächentemperaturmeßfühler nach mindestens einem der vorherge­ henden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgleichmatrix (3) Bypässe und Kurzschlußstrecken aufweist, die durchtrennbar bzw. mit Lot überbrückbar sind.