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Die Erfindung betrifft einen Oberflächentemperaturfühler für den industriellen Einsatz.
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Industrielle Oberflächentemperaturfühler sind in einer Vielzahl von Ausführungen für sich bekannt. Gemeinsam ist den meisten von ihnen, dass das tatsächliche Temperatursensorelement – meist ein Pt100 Widerstand oder ein Thermoelement – in einem Metallgehäuse eingekapselt ist, um Beschädigungen in rauher Industrieumgebung zu vermeiden. Oft werden zusätzlichen Adapterstrukturen (Platten, Klammern) verwendet, um eine Fixierung auf einem Prozessrohr oder Gefäß zu ermöglichen. Die derart ausgebildte Sensoranordnung wird mit dem Prozeßrohr oder Behälter, an dem die Temperatur zu messenden ist, in Kontakt hat gebracht. Die Meßgenauigkeit solcher Sensoranordnungen ist stark von der Wärmewiderstand des Kontaktes zwischen dem Prozeßrohr oder Behälter und dem Sensorgehäuse beziehungsweise der Adapterstruktur beeinflusst.
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Aufgrund technischer Qualität, wie Oberflächenrauhigkeit und Toleranzen, ist der tatsächliche Körperkontakt an der Prozessleitung auf wenige Punktkontakte, beispielsweise wenn zwei flache, aber nicht perfekt ebene Flächen einander berühren, oder in besten Fall Linienkontakte, beispielsweise zwischen einem Rohr und eine Platte, begrenzt, wobei die Kontaktflächen klein sind im Vergleich zur gesamten Fläche des Sensorelements. Dies führt zu einem sehr hohen Wärmeübergangswiderstand und somit zu langen Reaktionszeiten und großen stationären Abweichungen zwischen der wirklichen Oberflächentemperatur und dem gemessenen Wert. Die Abweichungen können dabei durchaus 10° C überschreiten.
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Es ist allgemein bekannt, den Wärmeübergangswiderstand zwischen zwei thermisch gekoppelten Elementen durch Wärmeleitmaterialien, wie beispielsweise Wärmeleitpasten, zu verringern. Bekannte Wärmeleitpasten sind jedoch für den Einsatz im industriellen Umfeld ungeeignet. Durch Austrocknung bei erhöhten Temperaturen oder Abfluss über längere Zeit der bekannten Wärmeleitpasten erhöht sich der thermische Kontaktwiderstand und führt zu Messfehlern.
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Darüber hinaus sind feste Wärmeleitmaterialien bekannt. Jedoch ist die maximale Betriebstemperatur von festen Wärmeleitmaterialien auf Silikonbasis für industrielle Anwendungen zu gering. Graphit und Weichmetallfolien sind sehr steif und nur zum Ausgleich geringer Oberflächentoleranzen – im Bereich von Spaltweitenänderungen kleiner als 50 µm – geeignet.
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In der industriellen Praxis sind jedoch vor allem auf gekrümmten Oberflächen wie Rohren und Behältern Lücken mit Dickenschwankungen von mehreren 100 µm gleichmäßig zu füllen, um einen ausreichenden Wärmekontakt bieten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Oberflächentemperaturfühler anzugeben, dessen thermischer Kontakt zur Kontaktfläche des Rohres oder Behälters über einen weiten Temperaturbereich langzeitstabil bei geringem Wärmeübergangswiderstand und zur Überbrückung von Lücken variabler Dickenschwankungen ausgebildet ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Mitteln des Schutzanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den rückbezogenen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung geht aus von einem Oberflächentemperaturfühler mit einer ersten geometrischen Kontaktfläche zur Bestimmung der Temperatur in einem Gefäß mit einer zweiten geometrischen Kontaktfläche, wobei die erste geometrische Kontaktfläche die zweite geometrische Kontaktfläche punkt- und/oder linienförmig berührt und von dieser zumindest teilweise variabel beabstandet ist.
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Erfindungsgemäß ist zwischen der ersten geometrischen Kontaktfläche und der zweiten geometrischen Kontaktfläche ein Metallschaum vorgesehen.
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Vorteilhafterweise weisen derartige Metallschäume eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Metallpartikel in einer Paste, wie sie als Wärmeleitpaste bekannt sind, auf, weil eine Vielzahl ununterbrochen metallischer Pfade zwischen der ersten geometrischen Kontaktfläche und der zweiten geometrischen Kontaktfläche vorhanden sind.
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Darüber hinaus sind derartige Metallschäume leicht an die an die erste und die zweite geometrische Kontaktfläche anpassbar. Dadurch wird widerstandsarmer thermischer Kontakt, insbesondere für die Oberflächenkontakte mit schlechten Anpassung, erreicht, was zu einer höheren Genauigkeit und kürzeren Reaktionszeit im Vergleich zu herkömmlichen oberflächenmontierten Sensoren führt. Die erfindungemäße Lösung ist auch über lange Zeit stabil, im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmeleitpasten, insbesondere bei Temperaturen von deutlich oberhalb 100 °C.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht der Metallschaum aus einem Metall mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Insbesondere besteht der Metallschaum aus Silber, Kupfer oder Aluminium. Es liegt jedoch im Rahmen der Erfindung, auch Schäume anderer geeigneter Metalle zu verwenden, wobei prinzipiell auch Legierungen in Betracht zu ziehen sind.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Metallschaum eine hohe Porosität auf.
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Vorteilhafterweise werden dadurch Verformungen des Metallschaums zur Adaptierung an die erste und die zweite geometrische Kontaktfläche erleichtert, da eine hohe Porosität typischerweise mit einer niedrigen Fließspannung verbunden ist.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Metallschaum ein Metallschaumporenvolumen zwischen 80 und 95 Vol% auf.
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Vorteilhafterweise ist in Abhängigkeit von den Montagekräften die Festigkeit des Schaums wählbar.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung weist der Metallschaum eine Porengröße von < 1 mm auf.
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Vorteilhafterweise ist die Wärmeübertragung bei einem Schaum mit kleineren Poren homogener als bei einem großporigen Schaum insbesondere bei beliebiger Porengrößenverteilung.
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Die Dicke des Metallschaums wird so gewählt, dass mit der gegebenen Fließspannung und Montagekräften ausreichende Verformung zum Ausgleich der variierenden Spaltweite ermöglicht wird.
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Besonders vorteilhaft ist eine Dicke von 1 bis 4 mm. Es hat sich herausgestellt, dass dünnere Schäume kein ausreichendes Volumen aufweisen, um große Spaltänderungen auszugleichen. Dickere Schäume weisen einen höheren Wärmewiderstand auf und sind unter Umständen schwerer mechanisch an die thermisch zu verbindenden Geometrien anzupassen. Jedoch sind je nach Konstruktion und Toleranzen dünnere und dickere Schaumschichten anwendbar.
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Der Sensor ist mit geeigneten Mitteln, welche einen ausreichend hohen Anpressdruck erzeugen, montiert. Die Montagekraft muß ausreichend hoch sein, um die Fließspannung des Schaums zu überschreiten, so dass der Metallschaum auf der Kontaktfläche bis zu einem Ausmaß deformiert wird, das zum Füllen der Kontakt Dehnspalte zu einem möglichst hohen Grad, im Idealfall zur vollständigen Füllung führt. Vollständige Füllung bedeutet nicht das Fehlen von Poren. Vielmehr wird im Rahmen dieser Offenbarung unter vollständiger Füllung verstanden, dass beide Kontaktgrenzflächen über die gesamte Fläche durch den Schaum in Kontakt gebracht sind, wobei jeder Restspalt kleiner ist als die Porengröße des Schaums.
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Die Verformung des Schaums kann je nach dem Grad der erforderlichen Verformung plastisch oder elastisch oder eine Kombination von beiden sein. Besonders vorteilhaft ist die Kombination aus plastischer und elastischer Verformung. Die plastische Verformung bewirkt eine gute Spaltfüllung unabhängig von der geometrischen Form der korrespondierenden Kontaktflächen, während die elastische Verformung des Schaums vorteilhaft ist, zeitliche Änderungen der Spaltweite auszugleichen, wie sie durch Temperaturänderungen, Drift und dergleichen hervorgerufen werden.
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Die erforderliche Fließspannung kann auch durch Erhitzen des Schaums auf eine Temperatur erreicht werden, bei der die Streckgrenze verringert wird, wenn sonst die erforderliche Verformung nicht erreicht werden kann.
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Aufgrund der porösen Struktur des Metallschaums kann in Kompression bereits mit relativ geringen Kräften bis zu 30% der Dicke verformt werden. Diese niedrige Fließspannung ermöglicht die Verformung ohne Beschädigung des Sensorgehäuses.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, eine unregelmäßig gefaltete Metallfolie, welche eine Metallschaumstruktur aufweist, zwischen den korrespondierenden Kontaktflächen anzuordnen.
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Auf diese Weise erzeugt der Schaum eine große Anzahl von Kontaktpunkten auf beiden Auflageflächen, welche mit einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit verbunden sind. Im Ergebnis wird eine Wärmeübergangsstruktur erreicht, deren thermische Stabilität und Lebensdauer jene von Wärmeleitpasten weit übersteigt.
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Für Kontaktspalte mit großen Spaltbreitenschwankungen von mehr als 1 mm kann der Metallschaum auf die groben Abmessungen vorgeformt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, den Metallschaum auf eine Toleranz von < 0,5 mm zur Spaltbreite, beispielsweise durch Biegen, Pressen oder spanende Bearbeitung, vorzuformen, so dass eine geringere Verformung bei der Montage und somit eine Verringerung der benötigten Montagekraft erreicht wird.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist der Metallschaum mit einem weichen Material hoher thermischer Leitfähigkeit zumindest teilweise gefüllt. Vorteilhafterweise wird durch dieses Merkmal der Wärmeübergangswiderstand zwischen den Kontaktflächen weiter verringert und der thermische Kontakt verbessert.
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In einer bevorzugten Ausprägung ist der Metallschaum mit einer wärmeleitfähigen Paste gefüllt.
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In einer alternativen Ausprägung ist der Metallschaum mit einem Metall mit niedriger Schmelztemperatur gefüllt. Hierzu sind insbesondere, aber nicht abschließend, Zinn und Indium geeignet.
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In beiden Ausprägungen verhindert die Kapillarwirkung des Metallschaums den Verlust der wärmeleitfähigen Paste oder des weichen Metalls bei hohen Temperaturen. Vorzugsweise weist der Metallschaum in diesen Ausprägungen eine Porengröße von < 0,5 mm auf.
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Der Oberflächentemperatursensor wird mit geeigneten Mitteln, wie beispielsweise Klemmen oder andere Befestigungsmittel, an die Prozessleitung oder Behälterwand montiert. Bei der Montage des Oberflächentemperatursensors wird der Metallschaum in der Kontaktschnittstelle durch die Sensormontagevorrichtung zusammengedrückt und dabei so verformt, bis der Metallschaum die Kontur der Kontaktspalte vollständig ausfüllt und so eine vollflächige Anlage mit hoher Wärmeleitfähigkeit bewirkt.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die dazu erforderlichen Zeichnungen zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene Prinzipdarstellung eines Oberflächentemperaturfühlers, welcher auf eine Behälterwand montiert ist,
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2 eine teilweise geschnittene Prinzipdarstellung eines Oberflächentemperaturfühlers, welcher auf eine Prozessleitung montiert ist,
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3 eine teilweise geschnittene Prinzipdarstellung eines Oberflächentemperaturfühlers, welcher mit einem Adapter auf eine Behälterwand montiert ist.
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In der 1 ist ein Oberflächentemperaturfühler 1 dargestellt, bei dem ein Temperatursensor 2 in einem Sensorgehäuse 3 untergebracht ist. Der Oberflächentemperaturfühler 1 ist auf die Wand eines Gefäßes 5 montiert. Dabei weist der Oberflächentemperaturfühler 1 eine im Wesentlichen planare, erste geometrische Kontaktfläche 6 und die Wand des Gefäßes 5 eine im Wesentlichen planare, zweite geometrische Kontaktfläche 7 auf, wobei die Kontur der ersten geometrischen Kontaktfläche 6 von der Kontur der zweiten geometrischen Kontaktfläche 7 unter Bildung eines Kontaktspaltes abweicht.
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In diesen Kontaktspalt zwischen der ersten geometrischen Kontaktfläche 6 des Oberflächentemperaturfühlers 1 und der zweiten geometrischen Kontaktfläche 7 der Wand des Gefäßes 5 ist ein Metallschaum 4 eingefügt, welcher den Kontaktspalt ausfüllt. Dazu wird der Oberflächentemperaturfühler 1 mit einer Anpresskraft F in Richtung des Gefäßes 5 auf das Gefäß 5 montiert. Im montierten Zustand wird der Oberflächentemperaturfühler 1 auf dem Gefäß 5 mit einem nicht dargestellten Befestigungsmittel gehalten.
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Da die Differenzen der beiden im Wesentlichen planaren Kontaktflächen 6 und 7 vergleichsweise gering ist, genügt eine dünne Schicht des Metallschaums 4.
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In der 2 ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ein Oberflächentemperaturfühler 1 dargestellt, welcher eine im Wesentlichen planare, erste geometrische Kontaktfläche 6 aufweist. Dieser Oberflächentemperaturfühler 1 ist auf die Wand eines Gefäßes 5 montiert, dessen zweite geometrische Kontaktfläche 7 gewölbt ist.
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Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel in 1 trifft hier eine im Wesentlichen planare, erste Kontaktfläche 6 auf eine gewölbte, zweite Kontaktfläche 7. Der Kontaktspalt zwischen den beiden Kontaktflächen 6 und 7 erweitert sich zu den Rändern der Kontaktflächen 6 und 7 hin.
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In diesen Kontaktspalt zwischen der ersten geometrischen Kontaktfläche 6 des Oberflächentemperaturfühlers 1 und der zweiten geometrischen Kontaktfläche 7 der Wand des Gefäßes 5 ist ein Metallschaum 4 eingefügt, welcher den Kontaktspalt ausfüllt. Dazu wird der Oberflächentemperaturfühler 1 mit einer Anpresskraft F in Richtung des Gefäßes 5 auf das Gefäß 5 montiert. Im montierten Zustand wird der Oberflächentemperaturfühler 1 auf dem Gefäß 5 mit einem nicht dargestellten Befestigungsmittel gehalten.
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Da die Differenzen der beiden Kontaktflächen 6 und 7 sich zu den Rändern der Kontaktflächen 6 und 7 hin vergrößern, wird ein dickerer Metallschaum 4 verwendet, welcher zur Montage erwärmt wird.
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In der 3 ist unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel ein Oberflächentemperaturfühler 1 mit einer im Wesentlichen planaren, ersten geometrischen Kontaktfläche 6 dargestellt, welcher zur Applikation an eine gewölbte, zweite geometrische Kontaktfläche 7 mit einem Adapter 8 ausgestattet ist. Dabei bildet die dem Oberflächentemperaturfühler 1 zugewandte Fläche des Adapter 8 die zweite geometrische Kontaktfläche 7, welche im Wesentlichen planar ausgebildet ist und zur ersten geometrischen Kontaktfläche 6 des Oberflächentemperaturfühlers 1 korrespondiert. Die dem Gefäß 5 zugewandte, gewölbte Fläche bildet die erste geometrische Kontaktfläche 6, welche zur zweiten geometrischen Kontaktfläche 7 der Wand des Gefäßes 5 korrespondiert.
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Die Konturen der jeweils korrespondierenden ersten und zweiten Kontaktflächen 6 und 7 weichen voneinander jeweils unter Bildung eines Kontaktspaltes ab. In diesen Kontaktspalten zwischen den jeweils korrespondierenden ersten und zweiten Kontaktflächen 6 und 7 ist ein Metallschaum 4 eingefügt, welcher den Kontaktspalt ausfüllt.
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Dazu wird der Oberflächentemperaturfühler 1 mit einer Anpresskraft F in Richtung des Gefäßes 5 auf das Gefäß 5 montiert. Der Fügeprozess kann einstufig oder zweistufig ausgebildet sein. Beim einstufigen Fügeprozess wird der Oberflächentemperaturfühler 1 mit dem Adapter 8 und der Adapter 8 mit dem Gefäß 5 in Kontakt gebracht und die Gesamtanordnung in einem Schritt verpresst. Beim zweistufigen Fügeprozess wird vorzugsweise der Oberflächentemperaturfühler 1 mit dem Adapter 8 in Kontakt gebracht und verpresst. Anschließend wird der Verbund bestehend aus Oberflächentemperaturfühler 1 und Adapter 8 mit dem Gefäß 5 in Kontakt gebracht und verpresst. Im montierten Zustand wird der Oberflächentemperaturfühler 1 auf dem Gefäß 5 mit einem nicht dargestellten Befestigungsmittel gehalten.
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Die erste geometrische Kontaktfläche 6 des Oberflächentemperaturfühlers 1 und die zweite geometrische Kontaktfläche 7 des Adapters 8 sind im Wesentlichen planar ausgebildet. Da die Differenzen der beiden im Wesentlichen planaren Kontaktflächen 6 und 7 vergleichsweise gering ist, genügt eine dünne Schicht des Metallschaums 4.
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Die erste geometrische Kontaktfläche 6 des Adapters 8 und die zweite geometrische Kontaktfläche 7 des Gefäßes 5 sind im Wesentlichen sphärisch äquidistant ausgebildet.
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Da die Differenzen dieser beiden Kontaktflächen 6 und 7 vergleichsweise gering ist, genügt auch hier eine dünne Schicht des Metallschaums 4.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Oberflächentemperaturfühler
- 2
- Temperatursensor
- 3
- Sensorgehäuse
- 4
- Metallschaum
- 5
- Gefäß
- 6, 7
- Kontaktfläche
- 8
- Adapter
- F
- Anpresskraft
