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Die Erfindung betrifft einen Kalibratoreinsatz zur Einführung in ein Kalibriergerät gemäß Anspruch 1 sowie ein Kalibriergerät mit einem solchen Kalibratoreinsatz gemäß Anspruch 41 oder Anspruch 42.
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Temperaturmessfühler werden in industriellen Anlagen eingesetzt zur Überwachung und Steuerung thermischer Prozesse. Die Temperaturmessfühler müssen oftmals regelmäßig kalibriert werden, um Messungenauigkeiten und damit Fehlerquellen im Steuerungs- und Herstellungsprozess von Produkten auszuschließen.
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Es sind Kalibriergeräte bekannt, welche in einer Kalibrierumgebung gleichzeitig an dem zu kalibrierenden Temperaturmessfühler und einem Referenztemperaturfühler die Temperatur der Kalibrierumgebung erfassen. Anhand der Abweichung des Messergebnisses des Temperaturmessfühlers von dem Messergebnis des Referenzfühlers wird eine Kalibrierung des Temperaturmessfühlers vorgenommen. Die Kalibrierumgebung wird bei bekannten Kalibriergeräten beispielsweise mit einem beheizten Ölbad bereitgestellt. Des Weiteren sind auch Trockenkalibratoren bekannt.
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In Anlagen der Nahrungsmittel- oder Pharmaindustrie werden häufig Messeinsätze zur berührungslosen bzw. totraumfreien Messung der Temperatur eines in einer Rohrleitung geführten Mediums verwendet. In den Rohrleitungen werden flüssige oder auch gasförmige Medien geführt, welche eine regelmäßige Reinigung der Rohrleitungen, insbesondere der mit dem Medium in Berührung stehenden Rohrinnenseiten erfordern. Unter anderem aus Hygienegründen wird die Temperatur an der Rohrleitung berührungslos und totraumfrei, d. h. ohne Bildung von Toträumen innerhalb der Rohrleitung, bzw. Räumen, in denen das Medium im Wesentlichen zum Stillstand kommt, gemessen und somit eine Querschnittsverengung vermieden. Dadurch werden Verunreinigungen des Rohrinneren verhindert. Die Temperaturmessung an der äußeren Oberfläche von Rohrleitungen oder Tanks vereinfacht zudem die regelmäßige Reinigung der mit dem Medium in Berührung stehenden Innenseite. Derartige Messeinsätze ragen nämlich nicht in das Innere der Rohrleitung oder des Tanks hinein und messen die Temperatur an der äußeren Oberfläche der Rohrleitung oder des Tanks. Die Messeinsätze umfassen einen Temperaturaufnehmer, an dessen Spitze ein Messglied angeordnet ist, welches in Einbaulage des Messeinsatzes an der äußeren Oberfläche anliegt. Ein derartiger Messeinsatz ist in
DE 10 2005 040 699 B3 beschrieben, wobei eine Manschette die Rohrleitung umgibt und den Messeinsatz trägt.
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Der Messeinsatz umfasst einen Grundkörper und einen mit dem Grundkörper in Verbindung stehenden Temperaturaufnehmer mit einem Messelement, wobei sich der Temperaturaufnehmer des Messeinsatzes im montierten Zustand an eine Rohrleitung anschmiegt.
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Bei der Kalibrierung von Temperaturmessfühlern in bekannten Kalibriergeräten hat sich gezeigt, dass bei einer Vielzahl von Temperaturmessfühlern, insbesondere Messeinsätzen der beschriebenen Art, nur unbefriedigende Kalibrierergebnisse erzielt werden können. Insbesondere Temperaturmessfühler mit kurzen Temperaturaufnehmern können oft nicht in die temperaturstabile Zone innerhalb des Kalibriergeräts eingeführt werden. Bei einer Kalibrierung im Heizbad, bspw. einem Öl- oder Wasserbad, werden genaue Kalibrierungen zusätzlich durch Konvektionserscheinungen erschwert. Das Heizbad weist Zonen mit unterschiedlichen Temperaturen auf, welche sich aufgrund Wärmetransports durch Konvektion stetig verändert, so dass unterschiedliche Temperaturverhältnisse am Temperaturmessfühler und am Referenzfühler auftreten können.
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Nach alledem liegt der vorliegenden Erfindung das Problem zugrunde, eine genaue Kalibrierung von Temperaturmessfühlern, insbesondere von Messeinsätzen zur totraumfreien Temperaturmessung der äußeren Oberfläche von Rohrleitungen oder Tanks, in einem Kalibriergerät zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Kalibratoreinsatz gemäß Anspruch 1 und durch ein Kalibriergerät mit einem solchen Kalibratoreinsatz gemäß Anspruch 41 oder 42 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist ein Kalibratoreinsatz mit einem Kalibratorkörper vorgesehen, welcher zur Kalibrierung von Temperaturmessfühlern in ein Kalibriergerät mit dem zu kalibrierenden Temperaturmessfühler eingeführt wird. Der Kalibratorkörper aus wärmeleitfähigem Material kann tief in die beheizbare Kalibrierkammer des Kalibriergeräts eingeführt werden und nimmt rasch die Temperatur der temperaturstabilen Zone in der Kalibrierkammer an. Der Kalibratorkörper umfasst eine Referenzfühleraufnahme zur Aufnahme eines Referenzfühlers und eine Temperaturmessfühleraufnahme, welche einen Kalibrierkontakt aufweist. Der Kalibrierkontakt kann mit einem Temperaturaufnehmer eines zur Kalibrierung in die Temperaturmessfühleraufnahme einführbaren Temperaturmessfühlers zusammenwirken. Sowohl der Referenzfühler als auch der Temperaturmessfühler sind damit an den Kalibratorkörper thermisch angebunden. Erfindungsgemäß liegt die Referenzfühleraufnahme im Bereich des Kalibrierkontakts der Temperaturmessfühleraufnahme, so dass der zu kalibrierende Temperaturmessfühler und der Referenzfühler der gleichen Referenztemperatur ausgesetzt sind. Die Referenzfühleraufnahme liegt nämlich benachbart des Kalibrierkontakts, so dass nur wenig Material des Kalibrierkörpers den zu kalibrierenden Temperaturmessfühler von dem Referenzfühler trennt.
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Der Kalibrierkörper stellt damit zum einen die räumliche Nähe des Messelements des zu kalibrierenden Temperaturmessfühlers und dem Messelement des Referenzfühlers sicher und gewährleistet zudem durch seine Masse Unabhängigkeit von möglichen Temperaturschwankungen innerhalb der beheizbaren Kalibrierkammer des Kalibriergeräts. Um den Referenzfühler in größtmöglicher Nähe zum Kalibrierkontakt der Temperaturmessfühleraufnahme anzuordnen und gleichzeitig den länglichen Kalibratorkörper in die temperaturstabile Zone des Kalibriergeräts einzuführen, ist die Referenzfühleraufnahme in einem Endabschnitt eines im Kalibratorkörper ausgebildeten Referenzfühlerkanals ausgebildet. Der Referenzfühler kann durch den Referenzfühlerkanal ins Innere des Kalibratorkörpers geschoben werden und ist in der Referenzfühleraufnahme in Position benachbart des Kalibrierkontakts gebracht.
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Der Kalibratorkörper besteht vorteilhaft aus einem Material mit metallähnlicher Wärmeleitfähigkeit. Der Kalibratorkörper kann in die beheizbare Kalibrierkammer des Kalibriergeräts eingeführt werden und nimmt dort durch die guten Wärmeleiteigenschaften rasch die Temperatur der temperaturstabilen Zone in der Kalibrierkammer an. Unter metallähnlicher Wärmeleitfähigkeit wird eine spezifische Wärmeleitfähigkeit (λ) von mehr als etwa 3 W/(mK) verstanden, wobei sie insbesondere Metall aufweisen. Je besser die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Kalibratorkörpers ist, desto schneller kann der Kalibratorkörper aus gut wärmeleitfähigem Material die Temperatur der Kalibrierkammer annehmen und den Kalibrierkontakt und die benachbart liegende Referenzfühleraufnahme auf die gemeinsame Referenztemperatur erwärmen.
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Um eine schnelle und gleichmäßige Erwärmung des Bereichs des Kalibratorkörpers zwischen dem Referenzfühler und dem zu kalibrierenden Temperaturmessfühler zu gewährleisten, besteht der Kalibratorkörper vorteilhaft aus einem Material mit einer spezifischen Wärmeleitfähigkeit von mehr als 150 W/mK. In einer bevorzugten Ausführungsform besteht der Kalibratorkörper vorteilhaft aus Kupfer oder einer Kupferlegierung. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht der Kalibratorkörper aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung. Der Kalibratoreinsatz kann auch aus einem anderen wärmeleitfähigen Material, insbesondere Metallen mit guten Wärmleiteigenschaften, bestehen, um eine möglichst effiziente Erwärmung des Bereichs zwischen Referenzfühler und dem zu kalibrierenden Temperaturmessfühler auf die Referenztemperatur herzustellen.
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Der Kalibratorkörper ist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung länglich ausgebildet, d. h. gestreckt in Richtung einer Längsachse, wodurch der Kalibratorkörper tief in die beheizbare Kalibrierkammer eingeführt werden kann. Auf diese Weise wird der Kalibratorkörper unabhängig von Temperaturschwankungen in der Kalibrierkammer des Kalibriergeräts auf eine gleichmäßige Referenztemperatur erwärmt, so dass der Bereich des Kalibratorkörpers, in dem der Kalibrierkontakt und die Referenzfühleraufnahme liegen, auch in einem oberen, d. h. nicht mittig liegenden Abschnitt des länglichen Kalibratorkörpers angeordnet werden kann. Mit dem erfindungsgemäß länglich ausgebildeten Kalibratorkörper können daher auch kurze Temperaturmessfühler genau und unabhängig von Temperaturschwankungen in der Kalibrierkammer des Kalibriergeräts kalibriert werden.
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Vorteilhaft ist der längliche Kalibratorkörper im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, so dass der Kalibratorkörper in jeder Drehwinkellage bequem in das Kalibriergerät eingeführt werden kann.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Messfühleraufnahme an einem Kopfende des Kalibratorkörpers angeordnet und reicht ins Innere des länglichen Kalibratorkörpers, wobei der Kalibrierkontakt und die Referenzfühleraufnahme auf gleicher axialer Höhe bzgl. einer Längsachse des Kalibratorkörpers liegen. Die Referenzfühleraufnahme und der Kalibrierkontakt liegen dabei im gleichen Bereich des Kalibratorkörpers unmittelbar nebeneinander. Der zu kalibrierende Temperaturmessfühler kann dabei auf einfache Weise in die Temperaturmessfühleraufnahme am Kopfende des Kalibratorkörpers eingeführt werden, wobei das Messelement des Temperaturmessfühlers an den Kalibrierkontakt der Temperaturmessfühleraufnahme gebracht wird.
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Vorteilhaft ist der Referenzfühlerkanal an einem dem Kopfende axial gegenüberliegenden Einführende des Kalibratorkörpers angeordnet und erstreckt sich von dort ins Innere des Kalibratorkörpers. Dadurch ist eine große Länge des Anschlusskabels des Referenzfühlers, welches am Kopfende aus dem Kalibratoreinsatz geführt ist, gegeben. Die Länge des Anschlusskabels bis zu seinem Austritt trägt zur thermischen Isolierung bei. Das Anschlusskabel wird nämlich über den Referenzfühlerkanal zum Einführende des Kalibratoreinsatzes geführt und über die volle axiale Länge des Kalibratoreinsatzes geführt, bevor es vom Kopfende des Kalibratoreinsatzes abgeführt ist. Durch die große Länge des Anschlusskabels werden Wärmeverluste am Referenzfühler und damit auch dem Bereich des zu kalibrierenden Temperaturmessfühlers deutlich reduziert.
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Zur Führung des Anschlusskabels des Referenzfühlers ist an einer Mantelfläche des Kalibratorkörpers eine zwischen Einführende und Kopfende verlaufende Kabelnut ausgebildet. Der Referenzfühler kann somit in dem Kalibratoreinsatz vormontiert werden und der Kalibratoreinsatz mit dem in die Mantelfläche des Kalibratorkörpers schlüssig eingefügten Anschlusskabel bequem in das Kalibriergerät eingesetzt werden. Vorteilhaft verläuft die Kabelnut parallel zur Längsachse des Kalibratorkörpers, wodurch das Anschlusskabel schnell montiert und sicher in der Kabelnut verstaut werden kann.
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Der Kalibrierkontakt der Temperaturmessfühleraufnahme und die Referenzfühleraufnahme liegen unmittelbar benachbart in dem Kalibratorkörper, wenn die Temperaturmessfühleraufnahme und der Referenzfühlerkanal in radialer Richtung des Kalibratorkörpers zueinander versetzt angeordnet sind und in ihren jeweiligen Endabschnitten in Überdeckung zueinander liegen. Auf diese Weise ist nur wenig Material zwischen dem Kalibrierkontakt der Temperaturmessfühleraufnahme und einer Kontaktfläche der Referenzfühleraufnahme, so dass praktisch sichergestellt ist, dass der zu kalibrierende Temperaturmessfühler und der Referenzfühler die gleiche Temperatur der Umgebung erfassen. Abweichungen der Temperatur in der Umgebung des zu kalibrierenden Temperaturmessfühlers und in der Umgebung des Referenzfühlers sind damit ausgeschlossen, so dass bei Abweichungen der Messergebnisse ein unmittelbarer und genauer Rückschluss auf die neue Kalibrierung des Temperaturmessfühlers gezogen werden kann.
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Der Kalibrierkontakt in dem Kalibratorkörper ist in einer vorteilhaften Ausführungsform am Umfang der Temperaturmessfühleraufnahme ausgebildet, wodurch der zu kalibrierende Temperaturmessfühler beim Einführen in die Temperaturmessfühleraufnahme einen sicheren Kontakt findet. Während der Temperaturmessfühler in seiner bestimmungsmäßigen Einbaulage sich mit der Spitze seines Temperaturaufnehmers an eine Rohrleitung anschmiegt, wird beim Kalibrieren des Temperaturmessfühlers ein wärmeschlüssiger Kontakt mit dem Kalibratoreinsatz durch den in Umfangsrichtung ausgebildeten Kalibratorkontakt hergestellt. Das ist besonders vorteilhaft für die Kalibrierung von Messeinsätzen für totraumfreie Messung, deren Messelemente zur Anlage an Rohrleitungen mit konkav gewölbten Messelementen ausgestattet sind. Derartige Messeinsätze sind entsprechend ihrem Verwendungszweck hinsichtlich der Wölbung ihrer Messelemente an die Durchmesser der jeweiligen Rohrleitungen angepasst und weisen daher regelmäßig unterschiedlich gerundete Messelemente auf.
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Messeinsätze können unabhängig von der Rundung ihres Messelements kalibriert werden durch die thermische Anbindung über den Umfang. Umrüstmaßnahmen sind bei Kalibrierung von Modellen mit unterschiedlich gerundeten Messelementen nicht erforderlich, und es können mit einem Kalibratoreinsatz Temperaturmessfühler mit jeder möglichen Rundung kalibriert werden.
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Um das Messelement an der Spitze des Temperaturaufnehmers des zu kalibrierenden Temperaturmessfühlers zu schützen, ist vorteilhaft an einem Grund der Temperaturmessfühleraufnahme ein Polster aus einem weichen Material angeordnet. Das Polster ist in einer vorteilhaften Ausführungsform konvex gewölbt ausgebildet und kann dadurch besonders effektiv die empfindlichen Messelemente von Messeinsätzen für totraumfreie Messung schützen, welche zur Anlage an Rohrleitungen mit konkav gewölbten Messelementen ausgestattet sind. Ein konvex gewölbt ausgebildetes Polster aus einem weichen Material schützt wirkungsvoll das Messelement eines Temperaturmessfühlers, und zwar unabhängig von dem jeweiligen Rundungsradius des Messelements. Vorteilhaft weist das Polster einen Kunststoff als weiches Material auf oder besteht im Wesentlichen aus einem solchen Kunststoff. Dabei haben sich Elastomere als besonders vorteilhafte Werkstoffe für das Polster erwiesen hat.
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Durch die Anordnung des Polsters am Grund der Temperaturmessfühleraufnahme ist eine leichte Einführbarkeit des zu kalibrierenden Temperaturmessfühlers in den Kalibrierkörper gewährleistet, indem der Temperaturmessfühler bis zum Auftreffen auf das Polster eingeschoben wird.
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Vorteilhaft ist der Kalibrierkontakt als zylindrische Führungsfläche mit einer Spielpassung ausgebildet, wodurch der Temperaturmessfühler im Bereich des Kalibrierkontakts einerseits geführt ist und andererseits durch den passgenauen Sitz eine optimale thermische Anbindung geschaffen ist. Ein Wärmeübergang zwischen dem Kalibratorkörper und dem Temperaturmessfühler findet über eine Mantelfläche statt, welche sich über die gesamte axiale Höhe des Messelements des Temperaturmessfühlers erstreckt. Die Passung des Kalibrierkontakts wird mit einem derartigen Spiel ausgebildet, dass der Temperaturmessfühler mit Handkraft eingeführt und axial verschoben werden kann, jedoch in eingeführtem Zustand kein merkliches Spiel gegeben ist. Die Bohrung des Kalibrierkontakts wird vorteilhaft mit einer H7-Passung ausgeführt.
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Eine sichere Führung des zu kalibrierenden Temperaturmessfühlers und darüber hinaus eine thermische Isolierung des Kalibrierkörpers ist gegeben, wenn an dem Kopfende des Kalibratorkörpers ein Isolierdeckel angeordnet ist, welcher von einem in Überdeckung mit der Temperaturmessfühleraufnahme liegenden Führungskanal durchsetzt ist. In dem Führungskanal des Isolierdeckels wird der Temperaturmessfühler zusätzlich zu der Führung am Kalibrierkontakt geführt. Durch die axiale Führung in dem Isolierdeckel können ohne Umrüstmaßnahmen Temperaturmessfühler mit unterschiedlichen Längen kalibriert werden. Der Führungskanal schafft sozusagen einen Längenausgleich bei unterschiedlichen Modellen von Temperaturmessfühlern, deren jeweiliger Temperaturaufnehmer mit seinem Messelement auf dem Elastomerkissen in der Kalibrierposition aufliegt.
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Durch die Führung des Temperaturmessfühlers an zwei axial beabstandeten Stellen wird der Temperaturmessfühler vor Biegebelastungen und Stößen während des Kalibriervorgangs geschützt. Insbesondere ist eine Beschädigung des empfindlichen Messelements des Temperaturmessfühlers ausgeschlossen, welches tief in der Messfühleraufnahme liegt und sowohl durch die passgenaue Führung in dem Kalibrierkontakt als auch durch ein Polster aus weichem Material geschützt ist.
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Zur Führung der Gehäuse von Temperaturmessfühlern weist der Führungskanal vorteilhaft einen axialen Führungsabschnitt mit konstantem Querschnitt auf. Das Gehäuse eines Temperaturmessfühlers kann innerhalb des Führungsabschnitts axial verschoben werden. Um Biegebeanspruchungen des empfindlichen Temperaturaufnehmers des Temperaturmessfühlers auszuschließen, ist der Führungsabschnitt mit einem geringen Übermaß gegenüber dem Durchmesser des Messfühlergehäuses ausgebildet, welches eine gleitende Führung gewährleistet. Die Paarung der Maße des Gehäuses der zu kalibrierenden Temperaturmessfühler und dem Querschnitt des Führungsabschnitts wird aufeinander abgestimmt, so dass das Gehäuse des Temperaturmessfühlers in dem Führungsabschnitt gleitend geführt ist. Darüber hinaus wird durch das Gehäuse in dem Führungsabschnitt ein Luftpolster eingeschlossen, welches zur Isolierung des Kalibratorkörpers beiträgt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Führungsabschnitt eine größere axiale Länge auf als der Kalibrierkontakt, so dass unterschiedliche Modelle von Temperaturmessfühlern mit dem gleichen Kalibratoreinsatz kalibriert werden können, sofern die unterschiedlichen Modelle des Temperaturmessfühlers gleiche Gehäuse und gleiche Durchmesser des Temperaturaufnehmers aufweisen. Der zu kalibrierende Temperaturmessfühler wird in dem Kalibratoreinsatz sowohl im Bereich des Kalibrierkontakts als auch im Bereich des Führungsabschnitts des Isolierdeckels geführt, wobei der Führungsabschnitt eine größere axiale Länge aufweisen kann als für die Führung des jeweiligen Gehäuses erforderlich ist. Das Messfühlergehäuse von Temperaturmessfühlern mit größerer Länge wird nicht vollständig in den Führungskanal eingeführt, sondern hinreichend auf einem Abschnitt des Gehäuses geführt, so dass die erfindungsgemäße 2-Punkt-Führung des Temperaturmessfühlers im Deckel und im Kalibrierkörper gegeben ist.
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Der Führungsabschnitt ist vorteilhaft auf einer dem Kalibratorkörper abgewandten Seite des Isolierdeckels angeordnet, so dass das Gehäuse des jeweils zu kalibrierenden Temperaturmessfühlers teilweise in den Führungsabschnitt eingeführt wird und dadurch eine sichere Führung des Temperaturmessfühlers während des Kalibriervorgangs gewährleistet ist.
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Der Isolierdeckel wird derartig auf dem Kalibrierkörper fixiert, dass der Führungskanal und die Messfühleraufnahme koaxial in Überdeckung zueinander liegen. In dieser Einbaulage wird der Isolierdeckel mit geeigneten Befestigungsmitteln fixiert. Solche Befestigungsmittel können bspw. Schraubenpaare und ggf. Passstifte sein.
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Der Isolierdeckel besteht vorteilhaft wenigstens abschnittsweise aus einem schlecht wärmeleitfähigem Material, insbesondere Kunststoff, um den gut wärmeleitfähigen Kalibratorkörper in seiner Einbaulage in einem Kalibriergerät thermisch zu isolieren und einen unerwünschten Wärmeaustritt zu vermeiden. Unter einem schlecht wärmeleitfähigen Material wird dabei ein Stoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 2 W/mK verstanden. Vorteilhaft besteht der Isolierdeckel aus Stoffen mit einer Wärmeleitfähigkeit von weniger als 0,3 W/mK, wie ihn viele Kunststoffe aufweisen. Je kleiner die spezifische Wärmeleitfähigkeit des Materials des Isolierdeckels ist, desto besser ist seine Isolierwirkung. Eine Wärmeleitfähigkeit von 0,1–0,25 W/mK hat sich als vorteilhafter und mit kostengünstig verfügbaren Materialien praktisch umsetzbarer Wert erwiesen.
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Die Schrauben zur Befestigung des Isolierdeckels am Kalibratorkörper bestehen vorteilhaft ebenfalls aus Kunststoff bzw. aus einem anderen schlecht wärmeleitfähigen Material, um die Isolierung des Kalibratorkörpers zu verbessern.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist am Kopfende des Kalibratorkörpers eine Isolierkammer ausgebildet, in dessen Boden die Messfühleraufnahme angeordnet ist. Die Isolierkammer wird von dem Isolierdeckel abgedeckt. In der Isolierkammer wird eine stehende Luftschicht eingeschlossen und ein Mikroklima gebildet, wodurch eine wesentliche Verbesserung der thermischen Isolierung des Kalibratorkörpers gegeben ist.
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Die Referenzfühleraufnahme weist vorteilhaft eine zylindrische Kontaktfläche auf, welche einerseits eine leichte Einführung und Auswechselbarkeit des Referenzmessfühlers bietet und zugleich eine wirksame thermische Anbindung des Referenzfühlers an dem Kalibratorkörper gewährleistet. Vorteilhaft ist in der Referenzfühleraufnahme ein zylindrischer Referenzfühler wärmeschlüssig geführt. Der Referenzfühler ist dabei vorteilhaft als Mantelfühler ausgebildet und weist ein Widerstandsmesselement, beispielsweise ein Pt100-Element, oder ein Thermoelement auf. Der Referenzfühler weist vorteilhaft ein baugleiches Messelement wie die zu kalibrierenden Temperaturmessfühler auf. In einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Temperaturmessfühler ein Widerstandsmesselement, beispielsweise ein Pt100, oder ein Thermoelement auf, um Messungen in der Genauigkeit durchführen zu können.
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Der Isolierdeckel weist in einer vorteilhaften Ausführungsform. Mittel zur Führung und/oder zur Fixierung des Anschlusskabels des Referenzfühlers auf. Das Anschlusskabel des Referenzfühlers ist in Einbauposition des Referenzfühlers in die Kabelnut in der Mantelfläche des Kalibratorkörpers eingelegt und wird durch die Führungsmittel im Isolierdeckel nach Außen geführt. An dem Isolierdeckel ist das Anschlusskabel fixiert, bspw. mittels eine O-Rings, um ein unerwünschtes Nachrutschen des Anschlusskabels auszuschließen. Der Referenzfühler kann daher mit wenigen Handgriffen ausgebaut werden, wenn der Referenzfühler seinerseits turnusmäßig kalibriert werden muss. Der Referenzfühler ist mit entsprechend geringem Aufwand wieder montierbar, indem der Referenzfühler durch den Referenzfühlerkanal in die Referenzfühleraufnahme im Inneren des Kalibrierkörpers eingeführt wird und das aus dem Referenzfühlerkanal austretende Anschlusskabel in die Kabelnut am Umfang des Kalibrierkörpers eingelegt wird. Nach Fixierung des Anschlusskabels an dem Isolierdeckel ist der Kalibratoreinsatz mit neu kalibriertem Referenzfühler wieder einsetzbar.
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Der erfindungsgemäße Kalibratoreinsatz wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zur Aufnahme von Messeinsätzen für Oberflächentemperaturmessungen an Rohrleitungen ausgebildet. Messeinsätze sind Temperaturfühler, deren Temperaturaufnehmer mit einem Messelement ausgestattet sind und sich in Einbaulage an eine Rohrleitung anschmiegen, um die Temperatur eines Mediums in der Rohrleitung berührungslos zu messen. Derartige Messeinsätze können gegebenenfalls sehr kurz ausgebildet sein, so dass sie bei einer herkömmlichen Kalibrierung nicht in temperaturstabile Zonen im Kalibriergerät reichen. Der Kalibratorkörper reicht tief in die Kalibrierkammer des Kalibriergeräts ein und hält sowohl am Kalbrierkontakt in der Messfühleraufnahme als auch in der Referenzfühleraufnahme die gleiche Kalibriertemperatur vor.
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Der erfindungsgemäße Kalibratoreinsatz wird erfindungsgemäß in einem als Trockenkalibrator ausgebildeten Kalibriergerät verwendet. Vorteilhaft weist der Trockenkalibrator eine 2-Zonen-Heizung auf. Dabei können an sich bekannte Trockenkalibratoren mit der Möglichkeit zum Anschluss eines externen Referenzfühlers in Kombination mit dem erfindungsgemäßen Kalibratoreinsatz eingesetzt werden. Anstelle eines Referenzfühlers des Trockenkalibrators wird zur Kalibrierung der Temperaturmessfühler der Referenzfühler des erfindungsgemäßen Kalibratoreinsatzes herangezogen und an die Auswertungseinrichtung des Trockenkalibrators angeschlossen.
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Der erfindungsgemäße Kalibratoreinsatz kann an die meisten handelsüblichen Block- bzw. Trockenkalibratoren angepasst werden. Es ist daher ist keine teure Spezialausrüstung zur Kalibrierung von Messeinsätzen notwendig. Entsprechende Kalibratoren sind häufig bereits zur Kalibrierung von invasiven Messgeräten vorhanden und können durch den erfindungsgemäßen Kalibratoreinsatz zur Kalibrierung von Messeinsätzen verwendet werden. Durch die Ausführung des Kalibratoreinsatzes nach Art eines Adapters können mit einem herkömmlichen Trockenkalibrator verschiedene Modelle von Temperaturmessfühlern kalibriert werden.
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Alternativ wird der erfindungsgemäße Kalibratoreinsatz in einem Kalibriergerät mit einer beheizbaren Kalibrierkammer eingesetzt, in der ein Heizbad, bspw. ein Wasser- oder Ölbad, angeordnet ist. Durch die erfindungsgemäße Integration des Referenzfühlers und des zu kalibrierenden Temperaturmessfühlers in einen Kalibratoreinsatz und die dadurch bereitgestellte thermische Anbindung werden Ungenauigkeiten herkömmlicher Kalibrierungen im Heizbad aufgrund von Konvektionserscheinungen ausgeschlossen. Auch kurze Temperaturmessfühler, welche mit herkömmlicher Heizbad-Kalibrierung nicht genau kalibrierbar sind, sind durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Kalibratoreinsatzes aus wärmeleitfähigem Material nunmehr in einem Heizbad kalibrierbar.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus den Ausführungsbeispielen, welche nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert sind. Es zeigen:
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1 eine geschnittene Längsansicht eines Kalibratoreinsatzes zur Einführung in eine Kalibriergerät,
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2 eine geschnittene Ansicht eines Kalibratoreinsatzes gemäß 1 in einem Kalibriergerät und
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3 eine Draufsicht des Kalibratoreinsatzes gemäß 2.
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1 zeigt einen Längsschnitt eines Kalibratoreinsatzes 1, welcher in der Darstellung der 2 mit einem zu kalibrierenden Temperaturmessfühler 2 in ein Kalibriergerät 3 eingesetzt ist. 3 zeigt eine Draufsicht des Kalibratoreinsatzes 1, in dem ein zu kalibrierender Temperaturmessfühler 2 eingeführt ist.
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Für jeweils gleiche Bauteile sind in den Zeichnungsfiguren jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Der Kalibratoreinsatz 1 umfasst einen länglichen Kalibratorkörper 4 aus einem gut wärmeleitfähigen Material. Im gezeigten Ausführungsbeispiel besteht der Kalibratorkörper 4 aus Kupfer. In alternativen Ausführungsbeispielen ist der Kalibratorkörper 4 aus einer Kupferlegierung oder Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen oder einem anderen Werkstoff mit guten Wärmeleiteigenschaften gefertigt. Der Kalibratorkörper 4 ist ein im Wesentlichen zylindrisches Bauteil mit zwei gegenüberliegenden Stirnseiten, von denen die eine Stirnseite als Einführende 5 zur Einführung in das Kalibriergerät 3 vorgesehen ist.
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Der Kalibratoreinsatz 1 dient der Vereinfachung und der Verbesserung der Kalibrierung von Temperaturmessfühler und ist insbesondere für die Kalibrierung von Messeinsätzen zur Oberflächentemperaturmessung eines in einer Rohrleitung geführten Mediums ausgebildet. Der in 2 gezeigte Temperaturmessfühler 2 ist ein derartiger Messeinsatz und ist zur Temperaturmessung in einen in einer Manschette an der Rohrleitung ausgebildeten Kanal eingeführt, so dass sich ein Temperaturaufnehmer 6 des Messeinsatzes mit einem Messelement 7 an die Oberfläche der Rohrleitung anschmiegt.
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Der Temperaturmessfühler 2 gemäß 2 weist einen länglichen Temperaturaufnehmer 6 auf, der aus einem thermisch gut leitfähigen Material, insbesondere einem Metall ausgebildet ist. Das Messelement 7 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Pt100-Messwiderstand, welcher im Inneren des Temperaturaufnehmers 6 angebracht ist und bspw. direkt am Boden des Temperaturaufnehmers 6 eingeklebt ist. Der Temperaturaufnehmer 6 schmiegt sich in seiner Einbaulage zur Messung der Temperatur in einer Rohrleitung an die Rohrleitung an, so dass eine größtmögliche Kontaktfläche zwischen der Rohrleitung und dem Temperaturaufnehmer 6 besteht. Zur Vergrößerung der Kontaktfläche ist das Messelement 7 konkav ausgebildet, bspw. gefräst, mit einem der Rohrleitung entsprechenden Radius. Dabei können für Rohrleitungen unterschiedlicher Durchmesser verschiedene Modelle von Temperaturmessfühlern mit unterschiedlichen Radien des konkaven Messelements 7 bereitgestellt werden.
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Der Temperaturaufnehmer 6 ist mittels eines Isolationskörpers 8 thermisch getrennt mit einem Gehäuse 9 des Temperaturmessfühlers 2 verbunden. Der Isolationskörper 8 weist in seinem Inneren eine nicht dargestellte Leitungsdurchführung zum Durchführen von elektrischen Leitungen von dem Messelement 7 zu einer Steckerbuchse 10, über die der Temperaturmessfühler 2 mit einer elektrischen Auswerteschaltung verbindbar ist. Die Steckerbuchse 10 bildet das dem Messelement 7 gegenüberliegende Ende des Temperaturmessfühlers 2. Das Gehäuse 9 weist einen zylindrischen Abschnitt 11 mit erweitertem Querschnitt auf, an dem eine Mutter 12 zur Handhabung des Temperaturmessfühlers 2 angeordnet ist.
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Der Kalibratorkörper 4 des Kalibratoreinsatzes 1 weist eine Messfühleraufnahme 13 auf, in die der Temperaturaufnehmer 6 eines Temperaturmessfühlers 2 einführbar ist. Die Messfühleraufnahme 13 ist an einem Kopfende 14 des Kalibratorkörpers angeordnet und erstreckt sich in axialer Richtung des Kalibratorkörpers 2 in dessen Inneres. Die Messfühleraufnahme 13 ist als Bohrung ausgebildet, wobei ein Kalibrierkontakt 15 am Umfang der Messfühleraufnahme 13 ausgebildet ist. Das Messelement 7 des Temperaturmessfühlers 2 (2) wirkt mit dem Kalibrierkontakt 15 am Umfang der Messfühleraufnahme 13 zusammen und erfasst die Temperatur des Kalibratorkörpers 4 über die zylindrische Kontaktfläche des Kalibrierkontakts 15.
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Der Kalibrierkontakt 15 ist als zylindrische Führungsfläche mit dem Durchmesser des Temperaturaufnehmers 6 des Temperaturmessfühlers 2 und einer Spielpassung ohne merkliches Spiel ausgebildet. Der Temperaturaufnehmer 6 kann somit von Hand in die Messfühleraufnahme 13 eingeführt und wieder herausgezogen werden. Dabei ist das Messelement 7, welches sich an der Spitze des Temperaturaufnehmers 6 auch in axialer Richtung erstreckt, in der Messfühleraufnahme 13 im Bereich des Kalibrierkontakts 15 wärmeschlüssig axial geführt.
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Zur Kalibrierung des Temperaturmessfühlers 2 ist in dem Kalibratorkörper 4 ein Referenzfühler 16 angeordnet, welcher über ein Anschlusskabel 17 mit dem Kalibriergerät 3 verbindbar ist. Der Referenzfühler 16 ist in einer Referenzfühleraufnahme 18 angeordnet, welche benachbart dem Kalibrierkontakt 15 der Messfühleraufnahme 13 liegt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Temperaturmessfühler 2 und der Referenzfühler 16 die gleiche Temperatur erfassen, so dass aus ggf. vorliegenden Abweichungen der jeweiligen Messergebnisse Rückschlüsse auf etwaig nötige Kalibriermaßnahmen gezogen werden können.
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Um den Referenzfühler 16 benachbart dem Kalibrierkontakt 15 in dem Kalibratorkörper 4 anzuordnen, erstreckt sich vom Einführende 5 her ein Referenzfühlerkanal 19 ins Innere des Kalibratorkörpers 4. Die Messfühleraufnahme 13 und der Referenzfühlerkanal 19 sind jeweils in axialer Richtung des Kalibratorkörpers 4 ausgebildet und sind in radialer Richtung des Kalibratorkörpers 4 zueinander versetzt angeordnet. In ihren jeweiligen Endabschnitten liegen die Messfühleraufnahme 13 und der Referenzfühlerkanal 19 in Überdeckung zueinander, wodurch die Referenzfühleraufnahme 18 im Endabschnitt des Referenzfühlerkanals 19 und der Kalibrierkontakt 15 der Messfühleraufnahme 13 auf gleicher axialer Höhe bzgl. einer Längsachse 20 des Kalibratorkörpers 4 liegen.
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Der Referenzfühler 16 weist ein Widerstandsmesselement auf, nämlich im Ausführungsbeispiel ein Pt100-Element, und ist als Mantelfühler ausgebildet. In anderen, nicht dargestellten Ausführungsbeispielen umfasst der Referenzfühler 16 ein Thermoelement. Die Referenzfühleraufnahme 18 ist als Passbohrung ausgeführt und bildet mit dem Mantel des Referenzfühlers 16 eine Spielpassung ohne merkliches Spiel. Der Referenzfühler 16 ist dadurch leicht in die Referenzfühleraufnahme 18 einführbar und dabei wärmeschlüssig an den Kalibratorkörper 4 angebunden. Um den Referenzfühler 16 seinerseits zu kalibrieren, wird der Referenzfühler 16 an seinem Anschlusskabel 17, welches durch den Referenzfühlerkanal 19 aus dem Kalibratorkörper 4 herausgeführt ist, aus dem Referenzfühlerkanal 19 herausgezogen. Zur Sicherung des Referenzfühlers 16 in der Referenzfühleraufnahme 18 ist in dem Kalibratorkörper 4 auf Höhe der Referenzfühleraufnahme 18 eine radiale Sicherungsbohrung 21 vorgesehen, welche bis in die Referenzfühleraufnahme 18 reicht. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Sicherungsbohrung 21 mit einem Gewinde versehen, in dem eine Madenschraube 22 als Sicherungsmittel für den Referenzfühler 16 geführt ist. Die Madenschraube 22, d. h. ein Gewindestift, gewährleistet neben einer leichten Lösbarkeit der Fixierung eine Verbesserung der thermischen Anbindung des Referenzfühlers an den Kalibratorkörper 4. Die Madenschraube 22 spannt den Referenzfühler 16 an der Oberfläche der Referenzfühleraufnahme 18 gegenüber der Sicherungsbohrung 21 fest und schafft einen unmittelbaren Wärmeschluss.
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An dem Kopfende 14 des Kalibratorkörpers 4 ist ein Isolierdeckel 23 befestigt, welcher von einem in Überdeckung mit der Messfühleraufnahme 13 liegenden Führungskanal 24 durchsetzt ist. Der Isolierdeckel 23 besteht aus schlecht wärmeleitfähigem Material, um den Kalibratorkörper 4 mit den darin aufgenommenen Messfühlern thermisch zu isolieren. Im Ausführungsbeispiel besteht der Isolierdeckel 23 aus einem temperaturbeständigen Kunststoff mit einer sehr geringen Wärmeleitfähigkeit. Vorzugsweise besteht der Isolierdeckel aus einem Thermoplast. Der Isolierdeckel 23 kann auch aus einem anderen mechanisch festen und schlecht wärmeleitfähigem Kunststoff bestehen.
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Der Isolierdeckel 23 ist mittels Schrauben 25, im Ausführungsbeispiel Kunststoffschrauben, an dem Kalibratorkörper 4 befestigt, wobei die Schrauben 25 die koaxiale Lage des Führungskanals 24 und der Messfühleraufnahme 13 sicherstellen. Die Schrauben 25 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel paarweise angeordnet, um das Verschrauben des Isolierdeckels 23 in der vorgesehenen Drehwinkellage zu gewährleisten. Zusätzlich können Passstifte vorgesehen sein, um die passgenaue Drehwinkellage des Isolierdeckels 23 und des Kalibratorkörpers 4 zu verbessern.
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Der Führungskanal 24 weist auf der dem Kalibratorkörper 4 abgewandten Seite des Isolierdeckels 23 einen axialen Führungsabschnitt 26 mit konstantem Querschnitt auf, in dem der erweiterte Abschnitt 11 des Gehäuses 9 eines Temperaturmessfühlers 2 axial geführt ist. Der Durchmesser des axialen Führungsabschnitts 26 ist auf das Maß des erweiterten Gehäuseabschnitts 11 des Temperaturmessfühlers 2 abgestimmt und vorzugsweise als Passung ausgebildet. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass ein Temperaturmessfühler mit einem entsprechenden Gehäuseabschnitt 11 passgenau in dem Isolierdeckel 23 geführt ist. Der Temperaturmessfühler 2 wird somit sowohl in dem Isolierdeckel 23 als auch in der Messfühleraufnahme 13 ohne merkliches Spiel geführt, so dass der Temperaturaufnehmer 6 sicher und verspannungsfrei geführt ist. Der empfindliche Temperaturmessfühler 2 wird somit vor Biegebelastungen und Stößen geschützt.
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Zur weiteren Isolierung der Messumgebung im Bereich der Messfühleraufnahme 13 und der Referenzfühleraufnahme 18 ist an dem Kopfende 14 eine Isolierkammer 27 ausgebildet, an dessen Grund eine Öffnung 28 der Messfühleraufnahme 13 liegt. Die Isolierkammer 27 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als im Wesentlichen zylindrische Bohrung ausgestaltet und wird von dem Isolierdeckel 23 verschlossen. Der Isolierdeckel 23 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel mit einem radialen Kragen 29 ausgebildet und liegt mit dem Kragen 29 auf dem Kalibratorkörper 4 auf. Der Kragen 29 trägt dabei zur Zentrierung des Isolierdeckels 23 bei. Der Isolierdeckel schließt in der Isolierkammer 27 eine stehende Luftschicht ein und begünstigt die Bildung eines isolierend wirkenden Mikroklimas. Die Atmosphäre in der Isolierkammer 27 verbessert die thermische Isolierung des Kalibratoreinsatzes und minimiert die Wärmeabstrahlung an die Umgebung.
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Um das empfindliche Messelement 7 an dem Temperaturaufnehmer 6 des Temperaturmessfühlers zu schützen, ist an einem Grund der Messfühleraufnahme 13 ein kissenartiges Polster 30 aus einem weichen Material angeordnet, welches im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Elastomer besteht. Das Polster 30 ist konvex geformt, so dass die konkav ausgebildeten Kontaktflächen des Messelements großflächig aufgenommen werden können. Bei der Einführung des Temperaturmessfühlers 2 in den Kalibratoreinsatz 1 wird der Temperaturmessfühler 2 soweit in den Kalibratoreinsatz 1 eingeführt, dass der Temperaturaufnehmer 6 auf dem Polster 30 zur Auflage kommt. Dabei wird der Wärmeschluss zwischen dem Kalibratorkörper 4 und dem Messelement 7 über den Kalibrierkontakt 15 am Umfang der Messfühleraufnahme 13 hergestellt. Der Temperaturmessfühler 2 ist demnach durch den passgenauen Sitz seines Temperaturaufnehmers und gleichzeitig die Führung in dem Isolierdeckel sicher und verspannungsfrei axial geführt und vor unerwünschten Belastungen geschützt. Gleichzeitig ist eine sehr gute thermische Anbindung des Temperaturmessfühlers 2 gegeben.
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An einer Mantelfläche des zylindrischen Kalibratorkörpers 4 ist zwischen dem Einführende 5 und dem Kopfende 14 eine Kabelnut 31 ausgebildet, in welche das Anschlusskabel 17 des Referenzfühlers 16 einlegbar ist. Auf diese Weise wird das Anschlusskabel 17 sicher verstaut und die zylindrische Form des Kalibratorkörpers 4 erhalten. Die zylindrische Gestalt des Kalibratoreinsatzes 1 ist zur Einführung des Kalibratoreinsatzes 1 in ein Kalibriergerät 3 vorteilhaft, da der Kalibratoreinsatz 1 in jeder möglichen Drehwinkellage in das Kalibriergerät 3 einführbar ist. Die Kabelnut 31 erstreckt sich in axialer Richtung, d. h. parallel zur Längsachse 20 des Kalibratorkörpers 4, so dass unerwünschte Biegungen oder Knicke des Anschlusskabels 17 vermieden sind.
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Das Anschlusskabel 17 erstreckt sich bis zum Verlassen des Kalibratorkörpers 4 über eine große Länge, nämlich durch den Referenzfühlerkanal 19 und über die volle axiale Länge des Kalibratorkörpers 4. Die große Länge des Anschlusskabels 17 verringert die Wärmeverluste des Kalibratorkörpers und isoliert den Referenzmessfühler, so dass von dem Referenzfühler 16 genauere Referenzmesswerte erwartet werden können.
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Zur Aufnahme des Anschlusskabels 17 weist der Isolierdeckel 23 eine axial verlaufende Deckelnut 32 auf, welche in Überdeckung mit der Kabelnut 31 liegt. In der Deckelnut 32 wird das Anschlusskabel 17 des Referenzfühlers 16 aufgenommen und an der Oberseite des Isolierdeckels 23 abgeführt. Zur Fixierung des Anschlusskabels 17 ist an dem Isolierdeckel 23 ein Sicherungsmittel vorgesehen, mit dem das Anschlusskabel bspw. geklemmt werden kann. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist am Umfang des Isolierdeckels 23 ein O-Ring 33 angeordnet, der mit seiner Innenseite an dem Anschlusskabel 17 anliegt und dieses einklemmt. Alternativ oder zusätzlich kann als Sicherungsmittel an der Außenseite des Isolierdeckels ein (nicht gezeigtes) Federelement angebracht sein, welches Zugkräfte auf das Anschlusskabel 17 ausübt.
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Der Kalibratoreinsatz 1 kann verschiedene Modelle von Temperaturmessfühlern 2 aufnehmen, welche Temperaturaufnehmer 6 mit dem Maß der Messfühleraufnahme 13 und ein dem Führungskanal 24 im Isolierdeckel 23 entsprechenden Maß aufweisen. Der axiale Führungsabschnitt 26 des Führungskanals 24 weist eine größere axiale Länge auf als die Messfühleraufnahme 13. Wird ein Temperaturmessfühler in der bereits beschriebenen Weise bis zum Aufliegen des Temperaturaufnehmers 6 auf dem Elastomerkissen 30 in die Messfühleraufnahme 13 eingeführt, ragen die jeweiligen Gehäuse 9 unterschiedlicher Modelle des Temperaturmessfühlers möglicherweise unterschiedlich weit aus dem Isolierdeckel 23 heraus, werden jedoch abschnittsweise in dem Führungskanal 24 geführt. Die abschnittsweise Führung der Gehäuse 9 unterschiedlicher Modelle von Temperaturmessfühlern 2 reicht bei gleichzeitiger Führung über die Messfühleraufnahme 13 aus, um bei jedem Modell eine sichere und passgenaue Führung zu gewährleisten. Der axiale Führungsabschnitt 26 schafft damit einen Längenausgleich und Adaption des Kalibratoreinsatzes 1 an unterschiedliche Modelle von Temperaturmessfühlern 2.
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Der Kalibratoreinsatz 1 ermöglicht die Kalibrierung von Temperaturmessfühlern 2, insbesondere Messeinsätzen, mit kurzen Fühlerlängen bzw. kurzen Temperaturaufnehmern 6 in herkömmlichen Kalibriergeräten, ohne dass zusätzliche Referenzfühler eingesetzt werden müssen. Im Ausführungsbeispiel gemäß 2 ist der Kalibratoreinsatz 1 in die Kalibrierkammer 33 eines Trockenkalibrators 3 eingeführt. Die unmittelbar benachbarte Anordnung von Temperaturmessfühler 2 und Referenzfühler 16 in dem gut wärmeleitenden Material des Kalibratorkörpers 4 gewährleisten die Messung der exakt gleichen Temperatur in einer temperaturstabilen Zone.
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In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist in der beheizbaren Kalibrierkammer ein Heizbad, bspw. ein Wasser- oder Ölbad, angeordnet.
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Alle in der vorgenannten Figurenbeschreibung, in den Ansprüchen und in der Beschreibungseinleitung genannten Merkmale sind sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander einsetzbar. Die Offenbarung der Erfindung ist daher nicht auf die beschriebenen bzw. beanspruchten Merkmalskombinationen beschränkt. Vielmehr sind alle Merkmalskombinationen als offenbart zu betrachten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005040699 B3 [0004]
