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Die Erfindung betrifft einen Temperatursensor gemäß dem Oberbegriff des Schutzanspruchs 1. Derartige Temperatursensoren werden häufig verwendet, um die Temperatur von beheizten Bauteilen präzise zu ermitteln. Typischerweise wird dabei ein Thermoelement, das an einem Halter angeordnet ist, in eine Ausnehmung des Bauteils eingeführt und mit einem an dem Halter angeordneten Befestigungselement an dem Bauteil befestigt.
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Bei dieser Anordnung führt das Thermoelement, genauer gesagt dessen Messstelle, keine Temperaturmessungen an der Oberfläche des Bauteils durch, sondern ist üblicherweise in einen Messkopf aufgenommen, welcher -vorzugsweise passgenau- in der Ausnehmung des Bauteils angeordnet wird, so dass er quasi in das Bauteil eintaucht. Solche Temperatursensoren werden daher auch „Eintauch-Temperatursensor“ genannt. Sie sind beispielsweise aus der
CH 689 875 A5 und der
DE 20 2011 004 481 bekannt.
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Die Praxis zeigt, dass das Ansprechverhalten und die mit einem derartigen Temperatursensor erhaltenen Messergebnisse empfindlich davon abhängen, wo im Inneren der Ausnehmung des Bauteils sich die Messstelle des Thermoelements befindet. Dabei gibt es ein grundsätzliches bauartbedingtes Problem: Das Thermoelement bzw. dessen Messstelle wird in vielen Fällen durch Verpressen mit dem Messkopf verbunden. Das bedeutet, dass die Messstelle eine gewisse räumliche Ausdehnung haben muss, um eine mechanisch stabile Pressverbindung mit der gewünschten thermischen Kopplung zu gewährleisten und vorzugsweise auch eine hinreichende Zugentlastung sicher zu stellen. Diese räumliche Ausdehnung bringt aber mit sich, dass die Messstelle nicht beliebig nah am dem Bauteil zugewandten Ende des Messkopfs angeordnet werden kann, zumal der eigentlich relevante Messpunkt an der Stelle liegt an der der erste Kontakt zwischen den Thermoschenkeln hergestellt ist, während die Bezeichnung Messstelle für den gesamten Bereich, in dem die Thermoschenkel elektrisch leitend miteinander in Kontakt stehen, verwendet ist.
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Der Erfinder hat zudem festgestellt, dass überraschenderweise dabei nicht ausreicht, dass die Position des Messkopfs durch eine passgenaue Aufnahme in der Ausnehmung des Bauteils festgelegt ist und dass bei der Herstellung des Temperatursensors darauf geachtet wird, dass das Thermoelement bzw. dessen Messstelle reproduzierbar an einer definierten Position im Messkopf positioniert wird, so dass unterschiedliche Exemplare von Temperatursensoren desselben Typs unterschiedliche Messergebnisse liefern und/oder ein unterschiedliches Ansprechverhalten zeigen können. Möglicherweise hat dieses Verhalten damit zu tun, dass es beim Verbinden von Messkopf und Temperatursensor, die, wie bereits erwähnt, in vielen Fällen durch Verpressen herbeigeführt wird, zu Verformungen kommt, die einen innigen thermischen Kontakt zwischen Messkopf und Thermoelement in unterschiedlichem Ausmaß behindern und/oder die Position der Messtelle innerhalb des Messkopfs verändern.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht daher in der Bereitstellung eines verbesserten Temperatursensors, der diese Probleme reduziert. Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Temperatursensor mit den Merkmalen des Schutzanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Der erfindungsgemäße Temperatursensor weist einen Messkopf und ein Thermoelement auf. Der Messkopf hat einen von einer Innenwand des Messkopfes begrenzten Innenraum aufweist, in dem eine Messstelle des Thermoelements, also der Abschnitt des Thermoelements, in dem -insbesondere durch elektrischen Kontakt von Leiterabschnitten von Leitern aus zwei unterschiedlichen Metallen- der für die Temperaturbestimmung benötigte Effekt erzeugt wird, angeordnet ist. Der Begriff „Thermoelement“, wird in dieser Beschreibung also nicht nur für die eigentliche Messstelle verwendet, sondern er umfasst insbesondere auch die Thermoschenkel (z.B. mit einer Isolationshülle umgebene oder mineralisolierte Thermoleitungen), also die Leiterabschnitte, die ohne in elektrischem Kontakt zu stehen voneinander isoliert zur Messstelle, die an Endbereichen der Leiterabschnitte dadurch gebildet sein kann, dass ein elektrischer Kontakt zwischen ihnen hergestellt ist, hin führen und gegebenenfalls - etwa wenn es sich bei dem Thermoelement um ein Mantelthermoelement handelt- weitere Bauteile.
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Erfindungswesentlich ist, dass zwischen der Messstelle des Thermoelements und der Innenwand des Messkopfes eine Schicht aus einem metallischen Material angeordnet ist, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Material des Messkopfes. Wesentlich für das gleiche Verhalten unterschiedlicher Temperatursensoren desselben Typs ist es nämlich, dass sichergestellt ist, dass sich an der Messstelle des Thermoelements schnell die aktuelle Umgebungstemperatur, die gemessen werden soll, einstellt. Dies kann signifikant dadurch verbessert werden, dass die Wärmeleitfähigkeit auf einem für die Wärmeleitung relevanten Pfad von der Außenfläche des Messkopfes zur Messstelle verbessert wird, was durch die Schicht aus metallischem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als das Material des Messkopfes erreicht wird.
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Dadurch können dann auch Probleme kompensiert werden, die beim Verpressen des Messkopfes mit dem Thermoelement entstehen.
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Insbesondere kann die Schicht in einem vergrößerten Innenraum des Messkopfes (dessen äußere Dimensionen oft festgelegt sind) angeordnet sein, so dass Material des Messkopfes durch Material der Schicht ersetzt.
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Anzumerken ist, dass dieses Merkmal bereits erfüllt ist, wenn eine solche Schicht lediglich bei Teilabschnitten der Innenwand oder der Innenwände des Messkopfes vorhanden ist. Das Auftreten des erfindungsgemäßen Effektes ist schon möglich wenn die Wärmeleitfähigkeit auf einem für die Wärmeleitung relevanten Pfad von der Außenfläche des Messkopfes zur Messstelle verbessert wird.
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Besonders bevorzugt ist es dabei, wenn das metallische Material der Schicht aus dem metallischen Material zudem so gewählt ist, dass es weicher ist als das Material des Messkopfes und/oder das Material des Thermoelements im Bereich der Messstelle. Es zeigt sich, dass durch diese Maßnahme ein inniger thermischer Kontakt besonders gut gewährleistet werden kann.
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Besonders gut geeignete Materialien für die Schicht aus metallischem Material sind Kupfer (das für viele Anwendungen besonders gut geeignet ist), Aluminium, Messing oder Bronze.
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Vorzugsweise grenzt die Schicht aus dem metallischen Material unmittelbar an das Thermoelement im Bereich seiner Messtelle an, so dass eine unmittelbare Weiterleitung von Wärme ermöglicht wird. Dabei kann das Thermoelement im Bereich der Messstelle regelrecht in die Schicht aus dem metallischen Material hineingedrückt sein, wenn dieses weicher als das Material der Thermoschenkel des Thermoelements ist. Im Bereich der Messstelle bedeutet dabei bei einem Mantel-Thermoelement ein Anliegen der Schicht am Mantel des Mantel-Thermoelements insbesondere an einer Stelle des Mantels, die lediglich in radialer Richtung relativ zur Messstelle versetzt ist.
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Aus demselben Grund ist es vorteilhaft, wenn die Schicht aus dem metallischen Material unmittelbar an die Innenwand des Messkopfes angrenzt.
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Besonders einfach kann die Schicht aus dem metallischen Material durch eine Hülse realisiert werden. Dann ist es möglich, dass beim Zusammenbau des Temperatursensors eine Hülse im Bereich der Messtelle oder auf die Messstelle auf das Thermoelement aufgeschoben wird, ehe das Thermoelement mit der darauf aufgeschobenen Hülse in den Innenraum des Messkopfes eingeführt und mit diesem verpresst wird, was beispielsweise durch eine Sechskantpressung oder Ringpressung erfolgen kann. Allerdings kann auch die Hülse in den Innenraum des Messkopfes eingelegt werden und dann die Messstelle des Thermoelements in die Hülse eingeführt werden. Optional ist es auch möglich, vor dem Einführen und abschließenden Verpressen eine Baugruppe aus Messstelle mit aufgeschobener Hülse oder aus Messkopf mit eingelegter Hülse vorab miteinander zu verbinden, insbesondere separat zu verpressen.
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Die Reproduzierbarkeit der Messergebnisse, die mit unterschiedlichen Temperatursensoren derselben Bauart erzielt werden kann, wird positiv beeinflusst, wenn gewährleistet ist, dass das Thermoelement stirnseitig auf einem Boden des Innenraums des Messkopfes aufsteht. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle aber noch einmal explizit betont, dass der Messkopf nicht zwingend einen Boden aufweisen muss. Er kann auch rohrförmig ausgebildet sein; seine Innenwand wird dann durch die Rohrinnenwand gebildet und der Kontakt zum Bauteil durch eine Stirnfläche des Rohrs und gegebenenfalls auch eine Stirnfläche der Messstelle hergestellt.
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Eine Ausführungsform des Temperatursensors sieht vor, dass das Thermoelement zwei Thermoschenkel aufweist und dass die Messstelle durch einen Bereich, in dem die Litzen der Thermoschenkel miteinander verbunden sind, gebildet ist. Bevorzugt ist, es dabei, wenn die Litzen der Thermoschenkel miteinander verseilt, verdrillt, verlötet und/oder verschweißt sind, um die Messstelle zu bilden. Sie können aber auch überlappend zueinander liegen.
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Der Temperatursensor kann aber als Thermoelement auch ein Mantelthermoelement aufweisen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren, die Ausführungsbeispiele darstellen, näher erläutert. Es zeigt:
- 1a: Ein erstes Ausführungsbeispiel eines Temperatursensors,
- 1b: einen Querschnitt durch den Temperatursensor aus 1a,
- 1c: eine Explosionsdarstellung der Bestandteile des Temperatursensors aus 1a,
- 1d: eine Schnittdarstellung der in 1c gezeigten Bestandteile des Temperatursensors,
- 1e: das Zusammenfügen des Temperatursensors aus den in 1c und 1d gezeigten Bestandteilen,
- 2a: ein zweites Ausführungsbeispiel eines Temperatursensors,
- 2b: einen Querschnitt durch den Temperatursensor aus 2a,
- 2c: eine Ausschnittsvergrößerung eines Ausschnitts der 2b,
- 2d: eine Explosionsdarstellung der Bestandteile des Temperatursensors aus 2a,
- 2e: eine Schnittdarstellung der in 2d gezeigten Bestandteile des Temperatursensors, und
- 2f: das Zusammenfügen des Temperatursensors aus den in 2c und 2d gezeigten Bestandteilen.
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Der in den 1a bis 1e dargestellte Temperatursensor 10 hat einen Messkopf 11 und ein Thermoelement 12. Wie man in der Schnittdarstellung der 1b besonders gut erkennt, hat das Thermoelement 12 zwei Thermoschenkel 13,14 und eine Messstelle 15, die durch einen Kontaktbereich zwischen den Thermoschenkeln 13,14 hergestellt ist, in dem ein direkter Kontakt zwischen den Thermoschenkeln 13,14 hergestellt ist, beispielsweise durch verseilen, verdrillen, verlöten und/oder verschweißen. Diese Messstelle 15 ist in den Innenraum 11a des Messkopfs 11 eingeführt, so dass sie an der stirnseitigen Wand 11c des Messkopfs 11 anliegt.
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Die Messstelle 15 steht ferner, wie die 1b besonders deutlich zeigt, in unmittelbarem Kontakt zu einer Schicht 16 aus einem metallischen Material -bevorzugt Kupfer, Alumininum, Bronze oder Messing- , das besser die Wärme leitet als das Material, aus dem der Messkopf 11 besteht, welches z.B. ein Edelstahl sein kann. Die Schicht 16 liegt darüber hinaus unmittelbar an der Innenwand 11b des Messkopfes 11 an. Wie man in 1c gut sieht, kann die Schicht 16 insbesondere in Form einer Hülse 16 bereitgestellt werden.
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Die Bereitstellung als Hülse 16 ermöglicht es insbesondere, den Temperatursensor 10 einfach herzustellen, indem die Hülse 16 einfach auf die Messstelle 15 aufgeschoben wird, die Messtelle 15 mit der darauf aufgeschobenen Hülse 16 in den Innenraum 11a des Messkopfes 11 eingeführt und an der stirnseitige Wand 11c auf Anschlag gebracht wird und anschließend wie in 1e durch die Backen 30,31 eines Presswerkzeugs angedeutet ist, die Teile miteinander verpresst werden.
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Der in den 2a bis 2f gezeigte Temperatursensor 20 mit Messkopf 21 mit Innenraum 21a, Innenwand 21b und stirnseitiger Wand 21c, mit Thermoelement 22, und Schicht bzw. Hülse 26 unterscheidet sich vom ansonsten gleich aufgebauten und gleich hergestellten Temperatursensor 10 lediglich insofern als das Thermoelement 22 ein Mantel-Thermoelement mit „nackten“ Thermoschenkeln 23,24, die im Inneren eines rohrförmigen Metallmantels 27 in ein gut wärmeleitendes, aber elektrisch isolierendes Material 28 wie beispielsweise Magnesoiumoxid eingebettet sind, wobei die Messstelle 25 durch Verschweißen der Spitzen der Thermoschenkel 23,24 gebildet ist. Die weiteren Aspekte des Aufbaus ergeben sich aus den Ausführungen zum Temperatursensor 10, wenn man dort jeweils die Zahl „10“ zu den jeweiligen Bezugszeichen addiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10,20
- Temperatursensor
- 11,21
- Messkopf
- 11a,21a
- Innenraum
- 11b,21b
- Innenwand
- 11c,21c
- stirnseitige Wand
- 12,22
- Thermoelement
- 13,14
- Thermoschenkel
- 15,25
- Messstelle
- 16,26
- Schicht/Hülse
- 27
- Mantel
- 28
- elektrisch isolierendes Material
- 30,31
- Backen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CH 689875 A5 [0002]
- DE 202011004481 [0002]
