DE2530897A1 - Temperaturmesselement - Google Patents

Description

Patentanwälte

PROF. DR. DR. J. REITSTÖTTER

DR.-ING. WOLFRAM BUNTE DR. WERNER KINZEBACH

D-SOOO MÜNCHEN 4O. BAUERSTRASSE 22 · FERNRUF (Οββ) 37 68 83 · TELEX O21B2O8 ISAR D
POSTANSCHRIFT: D-SOOO MÜNCHEN 43. POSTFACH 78Ο

München, den 10. Juli 1975
M/16 175

SHOWA DENKO K.K.
13-9, 1-chome, Shiba Daimon, Minato-ku, Tokyo, Japan !

Temperaturmesselement

Die Erfindung betrifft ein Temperaturmesselement zum Messen
einer Durchschnittstemperatur in einem vorgegebenen Bereich
oder zum Messen anormaler örtlicher Temperaturänderungen darin. '

Wird die Durchschnittstemperatur eines vorgegebenen Bereiches
gemessen, beispielsweise wo die mittlere Temperatur der j Atmosphäre bestimmt wird, um die Wärmedurchgangszahl eines ^! Baustoffes zu bestimmen, um seine physikalischen Eigenschaften
auszuwerten, dann ist es übliche Praxis, Temperaturen an
vielen Stellen in diesem Bereich zu messen und die gemessenen
Werte zu mitteln, um eine mittlere oder Durchschnittstemperatur zu erhalten. Anormaler örtlicher Temperaturanstieg oder
Temperaturabfall in einem Bereich, der beispielsweise von dem I

509885/1 284

253089?

Auftreten eines Feuers, einer Leckstelle für geschmolzenes Metall aus einem elektrischen Ofen, einem Riss oder Korrosionsschaden des inneren Werkstoffes eines Reaktors, oder Austreten von Gas aus einem LNG-Behälter herrühren kann, wird in ähnlicher Weise festgestellt durch Messen der Temperaturen an vielen Stellen innerhalb des Bereiches und durch Vergleichen der gemessenen Werte.

Gegenwärtig wird die Temperaturmessung an einer Vielzahl von beispielsweise η-Stellen durchgeführt, indem man eine Anzahl von η Messelententen wie beispielsweise Thermoelementen, Thermistoren, elektrische Widerstandsthermometer oder Quecksilberthermometer an diesen Stellen anordnet.

Soll ein Thermoelement, ein Thermistor, oder ein elektrisches Widerstandsthermometer als Temperaturmesselement verwendet werden, so muss eine Gesamtzahl von 2n Kabeln für die an η Stellen angeordneten Temperaturmesselemente vorgesehen werden. In dem Ma ße , in dem die Anzahl der Messteilen grosser wird, überkreuzen die Kabel einander in verwickelter Weise, wodurch Schwierigkeiten bei der Herstellung der Verbindung oder Fehler bei der Auswahl der Verbindung entstehen. Es ist ferner notwendig, eine Anzahl von η Messgeräten vorzusehen, um die gemessenen Temperaturwerte 'zu ermitteln, oder einen Serien-Wechselschalter, wodurch beträchtliche Unbequemlichkeiten bei der praktischen Anwendung entstehen. Insbesondere die Anwendung eines temperaturempfindlichen Widerstandes als Temperaturmesselement ist mit dem Nachteil verbunden, dass eine äussere konstante Spannungsquelle vorgesehen sein muss. Wird ein Quecksilber thermometer verwendet, so muss eine Person zur Bedienung bzw. zum Ablesen des Thermometers Zugang zu jeder Messteile haben, um deren gemessenen Temperaturwert zu ermitteln. Insbesondere wenn die Person die Temperatur in der freien Luft zu messen hat, dann bewirkt ihr Zutritt zu einer vorgegebenen Stelle eine merkliche Beeinflussung der Temperatur dieser

509885/1284

Stelle, so dass eine genaue Messung nicht möglich ist.

Ein kürzlich verbessertes Thermoelement besteht aus einem Vielfachkabel, in welchem einer der ein Thermoelement bildenden Metallleiter als gemeinsamer Leiter verwendet wird. Selbst diese Verbesserung bringt jedoch nur die Wirkung, dass die Anzahl der Metallleiter bzw. Metalldrähte von zwei η auf η + 1 verringert wird, was wenig zur Lösung der oben umrissenen Probleme beiträgt.

Ferner werden bei Messung der Oberflächentemperatur eines Gegenstandes ein abtastendes Infrarotthermometer oder eine Infrarotkamera verwendet. Solche Temperaturmessgeräte sind jedoch teuer, erfordern eine beträchtliche Schulung der Bedienungsperson und sind darüber hinaus mit dem Nachteil behaftet, dass die Bedienungsperson das Messergebnis mit Hilfe des unbewaffneten Auges auf dem Schirm beurteilt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein hochempfindliches Temperaturmesselement einfacher Bauart zu schaffen. Dabei soll das neue Messelement die Durchschnittstemperatur irgendeines gewünschten Bereiches direkt messen können. Auch sollen anormale örtliche Temperaturänderungen in diesem Bereich direkt gemessen werden können.

Weitere Einzelheiten und Aspekte der Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Figurenbeschreibung.

Die gestellte Aufgabe wird gelöst durch ein Temperaturmesselement, welches zwei' Metallleiter bzw. Metalldrähte aufweist, die zusammen ein Thermoelement bilden, sowie elektrische Widerstandseinheiten, welche zwischen diesen beiden Metalldrähten angeordnet sind; die Definition dieser elektrischen Widerstandseinheiten wird später angegeben werden.

509885/128Λ

Die Zeichnungen in:

Fig. 1 eine schematische Schaltanordnung mit einem erfindungsgemässen Temperaturmesselement unter Darstellung des Prinzips der Erfindung;

Fig.2 eine der Figur 1 entsprechende Schaltung;

Fig.3 eine weitere Veranschaulichung der Anordnung des erfindungsgemässen Temperaturmesselements zur Messung der Temperaturen von Messteilen mit unterschiedlichen Bereichen;

Fig.4 Ein Diagramm der Durchschnittstemperaturen, die von dem erfindungsgemässen Temperaturmesselement tatsächlich gemessen wurden im Vergleich zu den theoretischen Werten für die Durchschnittstemperaturen;

Fig.5A und 5B eine Darstellung der Ergebnisse der qualitativen Bestimmung der Differenz zwischen der elektromotorischen Kraft des erfindungsgemässen Messelements für anormale örtliche Temperaturen und der elektromotorischen Kraft des erfindungsgemässen Messelements für eine mittlere Temperatur, unter Anwendung unterschiedlicher Parameter;

Fig.6 bzw. 7 anormale örtliche Temperaturzunahmen und -abnahmen, die von dem erfindungsgemässen Temperaturmesselement tatsächlich ermittelt wurden, zusammen mit deren theoretische Werte zeigenden Kurven;

Fig.8A und 8B die verschiedenen Beziehungen zwischen den Arten von elektrischen Leitungen, welche die beiden ein Thermoelement bildenden Drähte verbinden und die in dem erfindungsgemässen Temperaturmesselement verwendeten elektrischen Widerstände, sowie die Arten der beiden

509885/ 1 28Λ

Metalldrähte;

Fig. 9 eine Veranschaulichung des Prinzips mit dessen Hilfe die Wärmedurchgangszahl beispielsweise eines Baustoffes bestimmt wird;

Fig. 10 zwei Anordnungen von Temperaturmessvorrichtungen, von denen jede das erfindungsgemässe Temperaturmesselement enthält, in der praktischen Anwendung;

Fig. 11A bis 11D die konstruktiven Teile eines elektrischen Widerstandes, wie er im Zusammenhang mit dem in Fig. 10 dargestellten erfindungsgemässen Temperaturmesselement verwendet wird;

Fig. 12 eine Variante des in Fig. 10 dargestellten erfindungsgemässen Temperaturmesselementes;

Fig. 13 eine andere Ausfuhrungsform, bei welcher das erfindungsgemässe Temperaturmesselement verwendet wird;

Fig. 14A und 14B die Konstruktionselemente des elektrischen Widerstandes, wie er im Zusammenhang mit dem Temperaturmesselement der Fig. 13 verwendet wird;

Fig. 15 einen der Anordnung der Fig. 13 äquivalenten Schaltkreis;

Fig. 16, 17 und 18 andere Varianten des in Fig. 13 dargestellten erfindungsgemässen Temperaturmesselementes;

Fig. 19 eine andere Ausführungsform, bei welcher das erfindungsgemässe Temperaturmesselement Anwendung findet; und

509885/12Bh

Fig. 2OA und 2OB unterschiedliche Ausfuhrungsformen des erfindungsgemässen Temperaturmesselementes mit verteilten Widerständen.

Das Prinzip der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren 1 bis 3 beschrieben. Es sei das Beispiel eines Elementes genommen, welches, wie in Fig. 1 dargestellt, von einem Paar metallischer Leiter bzw. von Metalldrähten Α.. , A₂ gebildet wird, beispielsweise einem Chromeldraht und einem Alumeldraht, welche zusammen ein Thermoelement bilden, und eine Anzahl η elektrischer Widerstände B bis B , die zwischen den metallischen Leitern A₁, A„ parallelgeschaltet sind. Ein Ende C₁ eines der Metalldrähte A₁, A₂ und ein Ende C₂ des anderen der Metalldrähte A₁, hj werden auf einer bekannten Temperatur gehalten, beispielsweise mit Hilfe einer Vergleichs-Kaltlötstelle D auf 0 C. Diese Enden c<t C₅ sind durch entsprechende Leitungen E₁, E mit einem elektrischen Messgerät F verbunden.

Gemäss der oben erwähnten Schaltungsanordnung bilden diejenigen Abschnitte der Metalldrahtpaare A₁, A₂ zwischen welchen die elektrischen Widerstände angeordnet sind, und die Enden C₁, C₂ der Metalldrähte A₁, A₂, welche auf einer bekannten Temperatur gehalten werden, eine Anzahl von η Thermoelementen

G₁ bis G . Die Thermoelemente G. bis G erzeugen elektromotorische in In

Kräfte entsprechend den Temperaturen T₁ bis T in den Bereichen, in welchen die elektrischen Widerstände B₁ bis B angeordnet sind. Diese thermo-elektromotorisehen Kräfte werden auf das Messgerät F aufgegeben.

Setzt man daher V. bis V zur Definition der thermo-elektro-

1 η

motorischen Kräfte, welche von den Thermoelementen G₁ bis G entsprechend den Temperaturen T₁ bis T erzeugt werden, setzt

man r„ bis r . für die Summen der elektrischen Widerstände 1 n-1

des Leiterpaares A₁, A₃, welche zwischen den benachbarten

50 98 88/ 1?8Zv

elektrischen Widerständen B.. bis B auftreten, setzt man r

für eine Summe von Widerständen, die in dem Leiterpaar A-, A2 zwischen dem elektrischen Widerstand B und dem oben genannten

einen Ende

des Leiters

und ebenso zwischen dem elektrischen

Widerstand B und dem oben erwähnten anderen Ende C₀ des η £

bis R für die Wider

Metallleiters A auftreten, setzt man

bis B , und setzt

standswerte der elektrischen Widerstände

manJ^- für die innere Impedanz des Messgerätes F für die elektromotorische Kraft, dann erhält man eine äquivalente Schaltung, wie in Fig. 2 dargestellt, in welcher eine Anzahl von η Serienstromkreisen bestehend aus η Gleichspannungsquellen

V₁ bis V und Widerständen R₁ bis R , und der Widerstand -* — in in

parallelgeschaltet sind mit den Widerständen r.. bis r_n-1 , die zwischen jeweils benachbarten parallelgeschalteten Serienstromkreisen angeordnet sind, wobei der Widerstand r zwischen dem letzten Serienstromkreis und dem Widerstand «/V angeordnet ist.

Wenn die Schleifenströme i.. bis i mit den in Fig. 2 dargestellten Verläufen angenommen werden, dann ergeben sich die folgenden Gleichungen:

η η

- (R, + Σ r + Ω)ι. + (Zr+ Ω)ι, + 1 2 *· · ~

+ ( Σ r + Ω)1 . n-1 ^{n η}"^λ

(Σ r + 2 ⁿ

+ Σ r + Ω) χ, +
2

(D

^νη - <^rn

^(r

_χ + (r_n + Ω)1₂

n-l ^{+ (R}n ^{+ r}n

0 9 8 8 b / 1 2 B U

Dann kann die Spannung einer elektromotorischen Kraft, die auf dem Messgerät F angezeigt wird, durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

η
V - Ω χ Σ i_n ...... (2)

Das Verhältnis zwischen der Spannung V, die an dem Messgerät F angezeigt wird, und den thermoelektromotorischen Kräften V.. bis V , die von den Thermoelementen G₁ bis G erzeugt werden, kann aus den obigen Gleichungen (1) und (2) wie folgt bestimmt werden.

Zunächst wird die folgende Bedingung festgesetzt:

η η η

Ω»Σγ > Σ r > Σ r > r (3)

1 ^η 2 ^η η-1 ^{η η}

um in einer einfachen Form das Verhältnis zwischen der Spannung V, die an dem Messgerät F angezeigt wird, und den thermo-elektromotorischen Kräften V- bis V , die von den Thermoelementen G- bis G erzeugt werden, zu bestimmen. Wenn die vorerwähnte Gleichung (1) unter der obigen Bedingung umgeschrieben wird, dann ergeben sich die folgenden Näherungsgleichungen

η
V, « (R, + Σ r + Ω)I₁ + Ql₀ + + ßi__-, + ^ßi _n ' \

η η

- (R₁ + Σ r_n)i_x + Ω χ Σ i_n

^V2 * ^(R2 ⁺ I ν^Α2 + ^{Ω Χ} J ¹Ii

^νη- ^(Rn^+rn^Un ^{+ flx}5 ¹H )

509ΒΗΒ/ 1 2 H Z₊

Dann kann das Verhältnis zwischen der oben erwähnten Spannung und den thermo-elektromotorischen Kräften V₁ bis V aus den

τ η

obigen Gleichungen (4) und (2) wie folgt bestimmt werden:

(V₂ -

^{Σ r}«) 1 ^η

Σ O

_n)

- i

(5)

Aus diesen Gleichungen (5) und der früheren Gleichung (2) ergeben sich die folgenden Gleichungen

V₁-V V₂-V

ή" ⁺ η"

R. + Σ r R- + Σ r 1 ι η ζ ^ η

♦ *

-^ν

^Rn ^{+ ν}η

R. + Σ r R. + Σ r J- 1 ^{η 2} 2

^Rn ^{+ r}n

R₁ + Σ r R, + Σ r 1 , η 2 j ⁿ

··· R_{n +} r_n ί!

(6)

Wenn in der obigen Gleichung (6) die Bedingung

Ω »

Σ r_n, R₂ + Σ r_n, :

(7)

509886/128Λ

voll erfüllt ist, und die folgenden Werte

η R₁ + Σ r- I/o,

R₂ + E X₂ - l/o₂

^Rn ^{+ r}n *

(8)

in die Gleichung (6) eingesetzt werden, dann ergibt sich die folgende Gleichung:

V -

^a2^V2

^ση^νη

(9)

Die obige Gleichung (9) zeigt, dass die Spannung V, die an dem Messgerät F angezeigt wird, einen mit (verschiedenen Gewichten ö>) errechneten Mittelwert der thermo-elektromotorischen Kräfte V₁ bis V , die von den Thermoelementen G bis G erzeugt

werden, anzeigt, und ferner, dass das Gewicht (6-w /G? )

in der Gleichung (9) grosser wird als die Summen der Widerstandswerte R, bis R der elektrischen Widerstände B, bis B , und in χι in

dass die Widerstandswerte ι _r bis r ,. die in den jeweiligen

' 1 ⁿ
Abschnitten des Leiterpaares A₁, A₃ auftreten, ferner abnehmen.

Wenn in der Gleichung (9) die folgende Beziehung

O₁ - σ₂

■ σ

(10)

S0988b/ 1284

verwirklicht wird, dann ergibt sich die folgende Gleichung

ν, + V₂ +

(11)

Die obige Gleichung (11) zeigt, dass die Spannung V, die an dem Messgerät F angezeigt wird ein einfaches Mittel der thermo-elektromotorischen Kräfte V- bis V ist, die von den Thermoelementen G₁ bis G erzeugt werden. Wenn in der Gleichung (8) die folgenden Bedingungen

R₁ » Σ r 1 ! η

R- »* Σ r 2 j η

(12)

voll erfüllt sind, dann ergeben sich die folgenden Beziehungen;

σ, - 1/R₁ σ, - l/R.

l/R

• · . . (13)

Man sieht also, dass die Wirkung der in dem Leiterpaar A.. ,A„ auftretenden Widerstände auf die Spannung V, die auf dem Messgerät F angezeigt wird, ausser Betracht bleiben kann, was bei der praktischen Anwendung einen grossen Vorteil bietet.

6 Ü 9 8 8 b / 1 I a U

Die wesentlichen Punkte der vorangehenden Beschreibung werden im folgenden .zusammengefasst. Zum besseren Verständnis sei angenommen, dass die Widerstandswerte R.. bis R_n der elektrischen Widerstände B₁ bis B sich nicht sehr stark mit der Temperatur ändern, insbesondere, dass diese Widerstände B.. bis B nicht hitzeempfindlich sind. Dann zeigt bei der in Fig. 1 dargestellten Schaltung das elektrische Messgerät F die elektromotorischen Kräfte an, die den Temperaturen T₁ bis T in den Bereichen, wo die elektrischen Widerstände B-- bis B angeordnet sind, entsprechen. Mit anderen Worten, man erhält zwischen den Enden C-, C2 der Leiter A₁., A~ eine thermo-elektromotorische Kraft entsprechend der Durchschnittstemperatur eines das Leiterpaar A₁ , A~ umgebenden Bereiches. Werden die elektrischen Widerstände B₁ bis B so gewählt, dass sie geeignete Widerstandswerte R₁ bis R für die ausgewählten Arten des Leiterpaares A^, A haben, dann kann eine zwischen den Enden C₁, C₇ des Leiterpaares A₁ , A erzeugte thermo-elektromotorische Kraft so gross gemacht werden, dass sie dem mit (verschiedenen)Gewichten errechneten Mittelwert der Temperatur in einem die Leiter A-, A umgebenden Bereich oder einfach (arithmetisch) gemittelten Temperatur dieses Bereiches entspricht, und es kann weiter die Wirkung der Widerstände des Leiterpaares A-, A_ auf eine elektromotorische Kraft V, die zwischen den Enden C₁, C₂ des Leiterpaares A₁, A_ auftritt,auf ein vernachlässigbares Mass minimiert bzw. verkleinert werden.

Es sei nun unter Bezugnahme auf die Schaltung beispielsweise der Fig. 3, in welcher drei elektrische Widerstände B₁, B₂, B-zwischen dem Leiterpaar A., A₃ parallelgeschaltet sind und vorgegebene Widerstandswerte habert, angenommen, dass die Widerstandswerte der elektrischen Widerstände B-,B₃,B₃ die folgenden Werte haben:*

O₁ « 3K

⁰3 ^{β 2K}

50988b/ 1 28A

Diese Werte,{bei denen K eine Konstante ist> seien in die frühere Gleichung (9) eingesetzt. Dann kann eine elektromotorische Kraft V, die zwischen den Enden C₁, C₃ des Leiterpaares A₁, A₂ erhalten wird, nämlich eine an dem Messgerät P angezeigte elektromotorische Kraft, wie folgt ausgedrückt werden:

+ KV₂ + 2KV₃ 3V₁ + V₂ + K + 2K * (Γ

3K + K + ίΓΚ

(15)

Daher können die Temperaturen T_1# T₂, T der Bereiche, in denen die elektrischen Widerstände B₁, B₂, B /angeordnet sind, mit Gewichten bzw. Wertvielfachen im Verhältnis 3 : 1 - ₂ ermittelt werden. Dies bedeutet, dass die Temperaturen T-, τ , τ, die mittleren Temperaturen der drei Bereiche S₁, S-, S, darstellen, welche

2 2 9 unterschiedliche Flächen von 3 m , 1 m , 2 irr haben. Das Messgerät F zeigt eine elektromotorische Kraft (Spannung) entsprechend dem Mittelwert der Temperaturen T₁, T₃, T₃ dieser drei Bereiche S₁, S₃, S₃ an. Wenn das Messgerät F so gebaut ist, dass es eine thermo-elektromotorische Kraft schon umgewandelt als Temperatur anzeigt, dann kann der Mittelwert der Temperaturen dieser drei Bereiche s_r, s , S₃ unmittelbar angegeben werden. ²'

Wo die Temperaturen T₁, T₃, T₃ der Bereiche, in denen die elektrischen Widerstände B₁, B₃, B₃ angeordnet sind, mit Gewichten im Verhältnis 3 : 1 : 2 ermittelt werden sollen, dort ist es angezeigt, die Widerstände B₁, B , B. mit solchen Widerstandswerten auszuwählen, dass sie die obige Gleichung (14) erfüllen. Dieses Verfahren ergibt eine mit solchen Gewichten bzw. Wertvielfachen gemittelte Temperatur.

insbesondere, wenn das Leiterpaar A₁, A₃ vernachlässigbar geringere Widerstandswerte hat als die elektrischen Widerstände B₁, B₃, β ,

509885/1

und das Messgerät F eine extrem grosse innere Impedanz hat, wie beispielsweise bei einem Messgerät, welches automatisch selbst-abgleichend arbeitet, dann können die Bedingungen der Gleichungen (7) und (12) erfüllt werden. Es ist daher erforderlich, den elektrischen Widerständen B₁, B₂, B Widerstandswerte im Verhältnis 1 : 3 : 1,5 zu erteilen, beispielsweise 100 J^-^-, 300 SX₁ und 150 -Π-.

Sind die in der Schaltung der Fig. 1 verwendeten elektrischen Widerstände B- bis B unempfindlich gegen Wärme, dann kann man, wie bereits oben erwähnt, den mit verschiedenen Gewichten gemittelten oder einfach (arithmetisch) gemittelten Wert der Temperaturen T₁ bis T des Bereiches, in dem die elektrischen Widerstände B₁ bis B angeordnet sind, unmittelbar erhalten.

Im folgenden wird das erfindungsgemässe Temperaturmesselement aus praktischer Sicht beschrieben. Erfindungsgemäss sollten die Gleichungen (3) und (7) immer erfüllt sein. Wenn jedoch die Gleichung (7) voll erfüllt ist, dann ist die Gleichung (3) notwendigerweise ebenfalls erfüllt. Es ist daher erfindungsgemäss lediglich erforderlich, solche Bedingungen zu schaffen, dass die Gleichung (7) immer erfüllt ist. Die Gleichung (7) bedeutet, dass eine Summe der Widerstandswerte des Leiterpaares A^, A-, die ein Thermoelement bilden, und der Widerstandswert eines beliebigen elektrischen Widerstandes B bis B , der zwischen dem Leiterpaar A₁, A angeordnet ist, vernachlässigbar kleiner ist als die innere Impedanz des elektrischen Messgerätes F. Wenn das Verhältnis der Summe der Widerstandswerte zu der Impedanz des Messgerätes F etwa 1 : 30 ist oder kleiner, dann kann die Temperatur praktisch genau gemessen werden, wenngleich sich der Wert dieses Verhältnisses mit der tatsächlich geforderten Messgenauigkeit ändern kann. Ist die Gleichung (12) erfüllt, dann ist es nicht notwendig, die Widerstandswerte des das Thermoelement bildenden, verwendeten Leiterpaares A , A_ zu berücksichtigen, was praktische Vorteile bietet. Wenn eine Summe der Widerstands-

509885/128Λ

werte des Leiterpaares A₁, A des Thermoelementes vernachlässigbar kleiner ist als der Widerstandswert irgendeines der dazwischen angeordneten Widerstände B₁ bis B , dann ist die Gleichung (12) naturgemäss erfüllt. Das Verhältnis dieser Summe von Widerstandswerten zu den Widerstandswert dieses elektrischen Widerstandes sollte praktisch bevorzugt bei etwa 1 : 30 oder einem kleineren Wert liegen, um zufriedenstellende Ergebnisse bei der Temperaturmessung zu erzielen.

Wenn die mittlere Temperatur eines Bereiches gemessen wird, dann sollten die zwischen den zwei Leitern eines Thermoelements angeordneten elektrischen Widerstände gegen Wärme unempfindlich sein. Diese Wärmeunempfindlichen elektrischen Widerstände können sogenannte wärmeunempfindliche elektrische Widerstände sein. Ein Temperaturkoeffizient mit einem Absolutwert von vorzugsweise 300 ppm/°C oder weniger, oder bevorzugter 100 ppm/ C oder weniger, ergibt gute Ergebnisse bei der praktischen Temperaturmessung.

Bezüglich des Werkstoffes sind die beiden Leiter A₁, A des Thermoelements keinerlei besonderer Begrenzung unterworfen. Jedes Material erfüllt diesen Zweck, vorausgesetzt, dass es als Bestandteil eines Thermoelements geeignet ist. Kombinationen von Thermoelement-Leitern sind dem Fachmann bekannt. Typische Beispiele solcher Kombinationen sind im folgenden angegeben.

Chrome1-Alumel
Kupfer- Itonstantan
Chrome1-Konstantan

Eis en-K ons tant an

Platin-Legierung aus 90 % Platin und 10 % Rhodium

Platin-Legierung aus 87 % Platin und 13 % Rhodium

Iridium-Wolfram

sowie ein Platinel Thermoelement.

5 0 9 H 8 b / 1 2 B U

Die am meisten bevorzugten Thermoelement-Paarungen dieser Liste sind Kupfer-^onstantan und Chromel-Alumel.

Trifft man aus der Kombination der beiden Thermoelement-Metallleiter eine Auswahl, dann ist die Auswahl der wärmeunempfindlichen elektrischen Widerstände, die zwischen den Metallleitern angeordnet werden sollen,für den Fachmann offensichtlich. Wärmeunempfindliche elektrische Widerstände haben vorzugsweise einen kleinen Temperaturkoeffizienten (^._) ; zu ihnen gehören z.B.: Manganin (^: etwa 50 ppm/ C), Konstantan (<_w: etwa + 50 ppm/°C) , Cermet (<*-*: etwa + 100 ppm/°C) , Metallfilmwiderstände (oC: etwa + 50 bis 100 ppm/°C), Metalloxydfilmwiderstände (-L : etwa 1OO ppm/°C) , Nichrom (^: etwa + 200 ppm/°C) , Chromel (¹X-/ : etwa + 4OO ppm/°C) sowie Kohleschichtwiderstände (<y : etwa + 3OO ppm/°C. Für die praktische Anwendung ist auch ein elektrischer Widerstand mit einem grösseren Temperaturkoeffizienten als dem oben angegebenen möglich.

Ist die Art der beiden Leiter des Thermoelements und des zwischen diesem angeordneten elektrischen Widerstandes einmal ausgewählt, dann ist es leicht, ein elektrisches Messgerät F auszuwählen, das eine innere Impedanz £"*- hat, die die Gleichung

(7) erfüllt. Dieses Messgerät F kann ein gewöhnliches Voltmeter sein, wie das oben erwähnte automatisch selbst abgleichende Voltmeter (-Ti: etwa 1 ΜΛ), ein Elektronenröhren-Voltmeter (Jfi_: über 1OO KΓ1 ) oder ein Digitalvoltmeter ( .Π; über 1μΠ) sein.

Hierbei ist darauf zu achten, dass zwar, wie oben erwähnt, für das erfindungsgemässe Temperaturmesselement, das aus zwei ThermoelementJ.eitern und einer Vielzahl von dazwischen angeordneten elektrischen Widerständen besteht, die Bedingung der Gleichung (7) erfüllt sein sollte, diese doch lediglich als eine Anleitung bei der Auswahl des elektrischen Messgerätes F, das zusammen mit dem Temperaturmesselement verwendet wird, sein sollte.

In Fig. 4 sind die Ergebnisse von experimentell ermittelten Durchschnittstemperaturen in den Bereichen aufgetragen, in welchen drei wärmeunempfindliche elektrische Widerstände zwischen dem Kupferleiter und dem Konstantanleiter eines Thermoelements angeordnet waren, wobei die Umgebungstemperatur nur eines der beiden elektrischen Widerstände fortschreitend verändert wurde. Die Dreiecke in Fig. 4 zeigen die jeweiligen einfach (arithmetisch) gemittelten Temperaturen und die entsprechenden thermo-elektromotorischen Kräfte an, die zwischen den vorderen Enden des Kupfer- bzw. Konstantan-Leiters des Thermoelements abgegriffen wurden, wobei alle drei elektrischen Widerstände einen Widerstandswert von etwa jeweils 100 i"J. hatten und die Umgebungstemperaturen zweier der Widerstände auf 26 + 1 °C gehalten wurden. Aus Fig. 4 . ist ersichtlich, dass die durch die Dreiecke markierten Versuchswerte auf einer Geraden liegen, welche die theoretischen Werte dieser einfach (arithmetisch) gemittelten Temperaturen wiedergibt. Die in Fig. 4 eingetragenen Kreise markieren die mit jeweils unterschiedlichen Gewichten gemittelten Temperaturen und die erhaltenen entsprechenden thermo-elektromotorischen Kräfte, wobei der elektrische Widerstand, der an der Stelle angeordnet war, deren Umgebungstemperatur fortschreitend geändert wurde, einen Widerstandswert von etwa 50 s.1 hatte und die anderen Faktoren gegenüber den oben angegebenen Bedingungen unverändert gehalten wurden. Die durch die Kreise markierten Versuchsergebnisse fallen ebenfalls auf die gestrichelte Linie in Fig. 4 und geben die theoretischen Werte dieser mit verschiedenen Gewichten gemittelten Temperaturen wieder. Änderungen der thermo-elektromotorischen Kräfte sind in . Einheiten von mV angegeben, wobei die einer mittleren Temperatur von 2 6 ⁰C entsprechende thermo-elektromotorische Kraft den Wert 0 mV hat. Fig. 4 zeigt, dass im wesentlichen kein Fehler zwischen den Versuchsergebnissen, die durch Messung der mittleren Temperaturen mit Hilfe des erfindungs- gemässen Temperaturmesselements ermittelt wurden, und den

50988S/128Λ

theoretischen Werten dieser mittleren Temperaturen auftritt. Ferner geht daraus hervor, dass die experimentell gemessenen Ergebnisse der mit (verschiedenen) Gewichten gemittelten Temperaturen einen Gradienten aufweisen, dessen Änderungen 3/2 -mal grosser sind als die mit Hilfe einfach (arithmetisch) gemittelter Temperaturen erzielten, und dass unter der in Betracht gezogenen Messbedingung die mittleren Temperaturen mit Gewichten im Verhältnis von 2:1:1 gemessen wurden.

Im folgenden wird der Fall beschrieben, bei welchem mit grosser Empfindlichkeit anormale örtliche Temperaturanstiege oder Temperaturabfälle in einem Bereich gemessen werden sollen, der normalerweise eine konstante Temperaturverteilung aufweist.

Es sei angenommen, dass in Fig. 1 die elektrischen Widerstände B^ bis B aus Thermistoren vom negativen Typ bestehen, die beispielsweise gleichen Widerstandswert und Temperaturkoeffizienten aufweisen, wobei die Widerstandswerte die Gleichung (12) erfüllen. Es sei angenommen, dass die Temperaturen T₁ bis T in den Bereichen, in denen die elektrischen Widerstände B₁ bis B angeordnet sind, den gleichen Wert t haben, und ferner, dass die Widerstandswerte R- bis R aller elektrischen Widerstände B₁ bis B den gleichen Wert R haben, um die Gleichung (11) zu erfüllen. Die thermo-elektromotorischen Kräfte V₁ bis V , die von den Thermoelementen G₁ bis G erzeugt werden, geben eine gleiche elektromotorische Kraft ν ab. Hier wird eine zwischen den Leiterpaaren A₁, A₀ erzeugte elektromotorische Kraft V=v, wie sich aus Gleichung (11) ergibt. Mit anderen

Worten, wenn T₁ = T₉ = = T = t unter der in den

Gleichungen (9) und (12) aufgestellten Bedingung, dann ergibt sich die folgende Beziehung:

^R1 ^{= R}2 ^Rn ^{= R}

so dass Gleichung (11) erfüllt ist. Wenn V₁ = V₂ ^Vn ^{= v}'

dann lässt sich aus Gleichung (11) die folgende Beziehung

5Q988S/128A

ableiten.

Es sei nun angenoTnm^n, dass die Temperatur T₁ nur eines Bereiches in welchem der Thermistor ^B-| angeordnet ist, auf t angestiegen ist.. Dann ergeben sich bei dem Widerstandswert R₁ des Thermistors B₁ und der elektromotorischen Kraft V₁, die von dem Thermoelement G₁ erzeugt wird, die folgenden Änderungen:

^T1 = ^t ■* ^fcup ^(tup y ^t]

V₁ = ν -> pv (p > 1), wobei ρ die Ausgangscharakteristik eines Thermoelements bedeutet,

R₁ = R -^ R/q (q > 1), wobei q die Temperaturcharakteristik eines Thermistors bedeutet.

Zur Erinnerung sei erwähnt, dass die folgende Beziehung gilt: T₂ = T₃ = T_n = t (17) .

Eine zwischen dem Thermoelement-Leiterpaar A₁, A₂ erzeugte elektromotorische Kraft V. kann daher wie folgt aus den Gleichungen (9), (12) und (13) errechnet werden. ^:

g . (n-lT^ q + (n-1)
R R

Wenn in diesem Fall der elektrische Widerstand B₁ ein gewöhnlicher, wärmeunempfindlicher Widerstand ist, dessen Widerstandswert wenig von der Temperatur abhängt, dann kann eine zwischen dem Thermoelement-Leiterpaar A₁, A₂ erzeugte elektromotorische Kraft V wie folgt aus der Gleichung (11) errechnet werden:

50988 ii/12iU

^Vc - ^T^-v (19)

Die Gleichungen (18) und (19) ergeben die folgende Beziehung:

V-V- (η-D (P-D (q-11 „ _A t ^VC η<ς+η-1Γ ^v > 0 (20)

(Vn - 2, ρ > l, q >

Man sieht also, dass, wenn man in der Schaltung der Fig. 1 in dem Bereich, dessen Temperatur angestiegen ist, ein elektrischer Widerstand angeordnet ist, welcher wärmeempfindlich mit negativer Charakteristik ist, eine zwischen dem Thermoelement-Leiterpaar A₁,Ä2 erzeugte elektromotorische Kraft eine grössere Änderung durch den rechten Ausdruck der obigen Gleichung (20) erfährt, als wenn ein elektrischer Widerstand in dem oben erwähnten Bereich angeordnet wäre, welcher vom üblichen wärmeunempfindlichen Typ ist und geringe Abhängigkeit von der Temperatur zeigt, mit der Möglichkeit, dass dieser Temperaturanstieg durch einen entsprechenden Anstieg der elektromotorischen Kraft angezeigt wird. ;

Ferner lässt sich aus den obigen Gleichungen (16) und (18) die folgende Gleichung ableiten:

Man sieht nämlich, dass eine zwischen dem Thermoelement-Leiterpaar A-, Ä2 erzeugte elektromotorische Kraft eine Änderung entsprechend dem rechten Ausdruck der obigen Gleichung (21) erfährt.

50988b/ 1284

Diese Änderung Λ V (=V -ν) zeigt einen linearen Verlauf bezüglich des Parameters ρ wie in Fig. 5A dargestellt, und weist einen Anstieg entsprechend dem Parameter q auf, wie in Fig. 5B dargestellt, wenngleich dieser nicht linear ist. Die oben erwähnte Änderung Δ V wächst nämlich mit der Zunahme der thermo-elektromotorischen Kraft t (mV/°C) ein% Thermoelementes entsprechend den Parametern ρ und der charakteristischen Temperatur B (⁰K) eines Thermistors entsprechend dem Parameter q.

Wenn in Fig. 1 die elektrischen Widerstände B₁ bis B wärmeun-

Tn

empfindliche Widerstände mit negativen Charakteristiken, wie Thermistoren mit negativen Koeffizienten sind, und die Temperatur an einer oder mehreren örtlichen Stellen innerhalb eines Bereiches mit einer bestimmten konstanten Temperaturverteilung anormal ansteigt, dann nimmt der Widerstandswert des Widerstandes oder' der Widerstände, der oder die an dieser einen oder mehreren Stelle (n) angeordnet ist (sind) ab. In einem solchen Fall werden die Temperaturen an diesen örtlichen Stellen natürlich mit Gewichten bzw. Wertvielfachen ermittelt, welche grosser sind als der Temperaturanstieg. In dem oben erwähnten Fall führen anormale örtliche Temperaturanstiege zu scharfen Anstiegen der elektromotorischen Kraft, die zwischen dem Thermoelement-Leiterpaar A.J , A₂ erzeugt wird, und kann demzufolge mit hoher Empfindlichkeit gemessen werden.

Auch wenn die elektrischen Widerstände beispielsweise wärmeempfindliche Widerstände mit positiven Charakteristiken sind, wie Thermistoren mit positivem Koeffizienten sind, dann können anormale örtliche Temperaturabfälle offensichtlich in ähnlicher Weise sehr schnell festgestellt werden.

Wie aus der obigen Beschreibung hervorgeht, brauchen elektrische Widerstände in einem Temperaturmesselement, die zum feststellen, anormaler örtlicher Temperaturänderungen in einem vorgegebenen

50988b/1284

253089?

Bereich verwendet werden, nicht alle vom wärmeempfindlichen Typ zu sein. Wenn nämlich wenigstens einer der elektrischen Widerstände wärmeempfindlich ist und alle anderen wärmeunempfindlich sind, dann kann das theoretische Prinzip dieser Erfindung in der Tat verwirklicht werden, es ist jedoch absolut unmöglich, von vorneherein diejenigen Stellen eines vorgegebenen Bereiches zu finden, an welchen anormale örtliche Temperaturänderungen stattfinden werden. Es wird daher bevorzugt, dass die bei der praktischen Anwendung verwendeten elektrischen Widerstände alle vom wärmeempfindlichen Typ sind.

Unter diesen wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen wird eine Widerstandsart verstanden, deren Widerstandswert eine grosse negative oder positive Temperaturabhängigkeit aufweist. Der Bequemlichkeit halber wird in der Praxis die Eigenschaft eines solchen wärmeempfindlichen elektrischen Widerstandes in Form seiner charakteristischen Temperatur B (⁰K) angegeben. Für praktische Zwecke wird der wärmeempfindliche elektrische Widerstand so ausgewählt, dass er eine charakteristische Temperatur B im Bereich zwischen etwa 1OOO und etwa 5000 °K hat. Ein im Handel erhältlicher wärmeempfindlicher Widerstand, dessen charakteristische Temperatur B im Bereich von etwa 3000 K bis etwa 3500 ⁰K liegt, kann daher bei dem erfindungsgemässen Temperaturmesselement verwendet werden. Für den Fachmann ist; die Auswahl solcher wärmeempfindlicher elektrischer Widerstände leicht. Zu den wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen mit negativen Charakteristiken gehören beispielsweise verschiedene Typen von Thermistoren mit negativem Koeffizienten, deren charakteristische Temperatur B im Bereich zwischen etwa 2000 und etwa 4000 liegt,Kritische-Temperatur-Widerstände (Critesistoren) und keramische Widerstände. Zu den wärmeempfindlichen elektrischen

Widerständen mit positiven Charakteristiken gehören beispielsweise verschiedene Typen von Thermistoren mit positivem Koeffizienten, elektrische Silizium-Widerstandsthermometer und elektrische Germanium-Widerstandsthermometer.

50988b/1284

Fig. 6 zeigt die (durch Kreise markierten) Versuchsergebnisse der Messungen anormaler örtlicher Temperaturanstiege unter Verwendung des erfindungsgemässen Temperaturmesselements, bei welchem drei Thermistoren mit negativen Charakteristiken zwischen dem Kupfer-Konstantan-Leiterpaar eines Thermoelements angeordnet waren, wobei die Umgebungstemperatur nur eines der Thermistoren sich fortschreitend veränderte. Alle Thermistoren wurden so ausgewählt, dass sie einen Widerstandswert von etwa 7 Κ-Ω. bei O ⁰C und eine charakteristische Temperatur von etwa 3400 °K hatten. Die Umgebungstemperatur von zwei dieser drei Transistoren wurde auf 26 + 1 ⁰C eingestellt. Die gestrichelte Linie in Fig. 6 gibt die den tatsächlich gemessenen Temperaturen entsprechenden theoretischen Werte wieder.

Fig. 7 zeigt die (durch Kreise markierten) Versuchsergebnisse der Messung anormaler örtlicher Temperaturabfälle in gleicher Weise wie in Fig. 6, mit der Ausnahme, dass die drei verwendeten wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände Thermistoren mit positiven Charakteristiken waren. Die gestrichelte Linie in Fig. 7 gibt die den tatsächlich gemessenen Temperaturen entsprechenden theoretischen Werte wieder. Sowohl Fig. 6 als auch Fig. 7 zeigen zum Vergleich die tatsächlich gemessenen Temperaturen (durch Dreiecke markiert) und die entsprechenden theoretischen Werte (durch eine ausgezogene Linie dargestellt), die bereits in Fig. 4 dargestellt sind.

Aus den Figuren 6 und 7 geht hervor, dass im wesentlichen kein Unterschied beobachtet werden konnte zwischen den mit Hilfe des erf indungsgemässen Temperaturmesselements tatsächlich gemessenen Temperaturen und den entsprechenden theoretischen Werten, und es ist auch ersichtlich, dass die Messergebnisse eines Temperaturmesselements, bei welchem wärmeempfindliche elektrische Widerstände verwendet werden, sich signifikanter mit der Temperatur ändern als eines mit wärmeunempfindlichen elektrischen Widerständen, wodurch anormale örtliche Temperaturänderungen mit hoher Empfindlichkeit festgestellt werden können.

50988b/ 1 28Λ

Bei dem erfindungsgemässen Temperaturmesselement zur überprüfung anormaler örtlicher Temperaturänderungen, wie auch bei einem analogen Messelement zur Bestimmung mittlerer Temperaturen können die Eigenschaften, nämlich die charakteristischen Temperaturen oder die Widerstandswerte auf gleichem Temperaturwert wie die verwendeten wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände in geeigneter Weise entsprechend der Frequenz der anormalen Temperaturänderungen ausgewählt werden, d.h. entsprechend der pro Zeiteinheit erwarteten Anzahl der Temperaturänderungen der Messtellen oder von jeder anormalen örtlichen Temperaturänderung im Falle ihres Eintretens ausgehenden Gefahren.

Eine Leitergruppe H₁₁ bis H₁ und eine andere Leitergruppe H₉₁ bis H„ , die bei den wärmeempfindlichen oder wärmeunempfindlichen elektrischen Widerständen B.. bis B zur Anwendung kommen, können aus dem gleichen Material (Fig. 8A) bestehen wie die Leiter A₁ , A„ des Thermoelements, oder aus davon verschiedenem Material (Fig. 8B). Sind mit Sicherheit isotherme Abschnitte L₁ bis L in den jeweiligen Bereichen, deren jeder einen elektrischen Widerstand, zwei elektrische Leiter und zwei von dem elektrischen Widerstand bestimmte Anschlüsse an die beiden Leiter des Thermoelements enthält, vorhanden, wie in Fig. 8B dargestellt, dann kann die Temperaturmessung, selbst wenn die Leiter H₁₁ bis H₁ , H2₁ bis H„ aus von dem Material der Thermoelementleiter A / A_ verschiedenem Material bestehen, mit dem gleichen Genauigkeitsgrad durchgeführt werden, wie wenn die erstgenannten Leiter und die Thermoelementleiter aus dem gleichen Material bestehen. Da jedoch ein isothermer Abschnitt in dem Bereich, in welchem keinerlei Temperaturverteilung vorliegt, normalerweise klein ist (Fig. 8A), wird die Anwendung von Leitern H₁₁ bis H ^H21 ^{bis H}2n' die aus dem gleichen Material wie das Thermoelementleiterpaar Aw A bestehen, bevorzugt, weil die Temperaturmessergebnisse hierbei zuverlässiger sind.

Die obige Beschreibung des Erfindungsprinzips ist auf den Fall bezogen, in welchem eine Vielzahl von separaten elektrischen

50988b/ 128A

Widerständen zwischen zwei gemeinsam ein Thermoelement bildenden Leitern angeordnet ist. Das heisst, die Beschreibung bezog sich auf eine sogenannte "Schaltung mit punktförmigen Konstanten". Die Erfindung ist jedoch auch anwendbar auf sogenannte "Schaltungen mit verteilten Konstanten", bei denen angenommen wird, dass sie aus einer unendlichen Zahl von elektrischen Widerständen und einer unendlichen Zahl von zwischen dem Leiterpaar gebildeten Thermoelementen besteht. In dieser Beschreibung und den anschliessenden Patentansprüchen wird ein elektrischer Widerstand beispielsweise vom linearen Typ, der eine Schaltung mit punktförmigen Konstanten darstellt, als "punktförmiger Widerstand" bezeichnet. Ein elektrischer Widerstand, beispielsweise vom ebenen oder dreidimensionalen Typ, welcher eine Schaltung mit verteilten Konstanten bildet, wird als "verteilter Widerstand." bezeichnet. Der in der vorliegenden Beschreibung und den anschliessenden Patentansprüchen verwendete Ausdruck "elektrische Widerstandseinheit" ist daher ein Sammelausdruck für eine Einheit bestehend aus zwei oder mehr parallelgeschalteten punktförmigen Widerständen, wenigstens einem verteilten Widerstand, und einer Kombination von wenigstens einem punktförmigen Widerstand und wenigstens einem verteilten Widerstand.

Das erfindungsgemässe Temperaturmesselement kann eine mittlere Temperatur mit hoher Empfindlichkeit unmittelbar feststellen/ wenn die oben definierte elektrische Widerstandseinheit, die zwischen einem Thermoelementleiterpaar angeordnet ist, vom wärmeunempfindlichen Typ ist, und es kann auch anormale örtliche Temperaturänderungen mit ähnlich hoher Empfindlichkeit schnell feststellen, wenn die elektrische Widerstandseinheit wenigstens einen wärmeempfindlichen elektrischen Widerstand enthält. Das erf indungsgemä.sse Temperaturmesselement erfordert keine äussere konstante Spannungsquelle und wirkt naturgemäss nicht selbstzündend bzw. selbstexplodierend.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren 9 bis 20 beschrieben. Die Ausführungsform der Fig.

E>Ü988b/ 1 284

ist ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsgemässen Temperaturmesselements auf die mittlere Temperatur der offenen Luft bzw. offenen Atmosphäre bei der Bestimmung der Wärmedurchgangszahl zum Zweck der Ermittlung der Wärmeeigenschaften eines Baustoffes, beispielsweise eines wärmeisolierenden oder wärmedämmenden Materials.

Das Verfahren zur Bestimmung der Wärmedurchgangszahl wird kurz unter Bezugnahme auf Fig. 9 beschrieben, ^s sei angenommen, dass die zu beiden Seiten eines Baustoffes, welcher Gegenstand der Temperaturmessung ist, gelegenen Bereiche 2., 2 Temperaturen T„ ⁰C bzw T₁. ⁰C haben, wobei T„ J> T_ ist, dann stellt sich

Π Xj Π Xj

ein Temperaturgradient ein, wie er als gestrichelte Linie in Fig. 9 dargestellt ist. Ein Wärmestrom strömt dann von dem Bereich 2 mit der höheren Temperatur durch den Gegenstand der Temperaturmessung zu dem Bereich 2_ mit der niedrigeren Temperatur. Die Grosse des Wärmestroms ist proportional der Differenz der Temperaturen (T - T) in den Bereichen 2 , 2„,

H Ij \ Z

und ändert sich in Abhängigkeit von den Wärmeeigenschaften des den Gegenstand 1 bildenden Baustoffes. Die Wärmedurchgangszahl U (Kcal/m h°C) bezeichnet das Verhältnis der pro Zeiteinheit und Flächeneinheit durch den Gegenstand 1 der Temperaturmessung strömenden Wärmemenge, d.h. also des eindimensionalen Wärmestromes

2
Q (Kcal/m h) zu der Differenz der Temperaturen beider Bereiche 2₁, 2j. Die Wärmedurchgangszahl U errechnet sich somit durch die folgende Gleichung:

Q
U = (22)

T - T
^XH ¹L

Die Wärmedurchgangszahl ü erhält man also durch Messung der Temperaturen i"n den zu beiden Seiten des den Messgegenstand bildenden Baustoffes 1 liegenden Bereichen und durch Messung der Grosse des eindimensionalen Wärmestromes.

Gewöhnlich ist die Temperatur des auf einer Seite des Gegenstandes liegenden Bereiches nicht gleichförmig über den Bereich. Die

5 09885/128Λ

Die Bestimmung der Wärmedurchgangszahl U einfach aus der Temperatur an einem einzigen Punkt in jedem der zu beiden Seiten des Gegenstandes 1 liegenden Bereiche 2 , 2 ergibt daher keinen verlässlichen Wert. Man verfährt daher allgemein so, dass man die Temperaturen an einer Vielzahl von Punkten in jedem der umgebenden Bereiche 2 , 2_ misst und die Grossen T , T der obigen Gleichung (22) aus dem Mittelwert dieser

gemessenen Temperaturen bestimmt. Bis jetzt ist jedoch die Messung solcher mittlerer Temperaturen von beträchtlichen Schwierigkeiten begleitet gewesen, wie oben erwähnt.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 10 die Ausführungsform beschrieben, bei welcher das erfindungsgemässe Temperaturmesselement zur Messung dieser mittleren Temperatur verwendet wird. Wie in Fig. 10 dargestellt ist, werden zwei erfindungsgemässe Temperaturmesselemente 3.. , 3_ zur Messung der mittleren Temperaturen in den Bereichen 2 , 2„, die zu beiden Seiten des Messgegenstandes 1 liegen, verwendet und weisen zwei Thermoelementleiterpaare S₁₁ - 5 „, 5„ - 5 auf, sowie eine Gruppe von neun wärmeunempfindlichen punktförmigen elektrischen Widerständen 6 . - 6 , die mit gleichem Abstand zwischen einem der Thermoelementleiterpaare 5.... - 5,.„ angeordnet sind, sowielferner eine weitere Gruppe von neun wärmeunempfindlichen punktförmigen elektrischen Widerständen 6 .. - 6_2g, die mit gleichem Abstand zwischen dem anderen Thermoelementleiterpaar 5₉₁ - 5„ angeordnet sind. Die beiden Thermoelementleiterpaare S₁₁ - ^₁_, 5^₁ - 5_?» werden an einem Ende jeweils durch Vergleichs-Kaltlötstellen 7., 7 auf einer bekannten Temperatur, beispielsweise 0 ⁰C gehalten und sind durch Leitungen 8.. , 8 mit elektrischen Messgeräten 4.. bzw. 4» verbunden. Diese Messgeräte 4₁ , 4„ sind vorzugsweise' solche Geräte, welche die Ausgangssignale von den Temperaturmesselementen 3 , 3₂ in Temperaturwerte umgewandelt anzeigen. Ein Thermoelementleiterpaar S₁₁ - S₁₂ und die dazwischen angeordneten neun wärmeunempfindlichen elektrischen Widerstände 6.... bis 6,. _, die zusammen ein Temperaturmesselement

5Q9885 / 1

3.. bilden, sind alle räumlich in ein und derselben Ebene verteilt angeordnet, welche parallel zu einer Seite des Gegenstandes 1 der Temperaturmessung liegt. Das andere Thermoelementleiterpaar 5-.. - 5₂₂ und die andere, dazwischen angeordnete Gruppe von neun wärmeunempfindlichen elektrischen Widerständen 6₂₁ bis 6_g, welche zusammen das andere Temperaturmesselement 3„ bilden, sind alle räumlich verteilt in ein und derselben Ebene an der und parallel zu der entgegengesetzten Seite des Messgegenstandes 1 angeordnet.

Bestehen die beiden Thermoelementleiterpaare 5.. - 5_, 5 - $₂2' die in den beiden Temperaturmesselementen der obigen Anordnung enthalten sind, aus einem Chromeldraht von 0,6 5 mm Durchmesser und etwa 2 m Länge soweit der eine Leiter betroffen ist, und einem Alumeldraht gleicher Abmessungen soweit der andere Leiter betroffen ist, dann weist ein Thermoelementleiterpaar S₁₁ - 5^₂ wie auch das andere Thermoelementleiterpaar 5^₁ - 5 _ etwa die gleiche Widerstandswertsumme von 6 -Π. auf. Wenn unter dieser Bedingung jeder der Widerstände 6 . bis 6_iq, die zwischen einem Thermoelementleiterpaar 5... - 5.-₂ angeordnet sind, und jeder der Widerstände 6₂₁, ^₂Q' die zwischen dem anderen Thermoelementleiterpaar 5_.. - 5_₂ angeordnet sind, einen gleichen Widerstandswert im Bereich von 500 bis 5000 --"^- hat, dann ist es nicht notwendig, den Gesamtwiderstandswert des einen Thermoelementleiterpaares 5... - 5..₂ und des anderen Thermoelementleiterpaares 5₂₁ - 5₂₂ zu berücksichtigen (denn dann ist Gleichung (12) erfüllt), Das elektrische Messgerät 4₁ oder 4_? kann daher ein gewöhnliches Voltmeter sein, wie das oben beschriebene automatisch selbst abgleichende Voltmeter, ein Elektronenröhrenvoltmeter oder ein Digitalvoltmeter. Da, wie aus dem Vorstehenden hervorgeht, die Gleichung (11) unter den obigen Bedingungen erfüllt ist,

erzeugen die beiden Temperaturmesselemente 3 , 3 thermoelektromotorische Kräfte entsprechend den einfach (arithmetisch) gemittelten Temperaturen der Bereiche zu beiden Seiten des Messgegenstandes 1, und die Messgeräte 4 , 4₂ zeigen die auf diese Weise erzeugten tbermo-elektromotorischen Kräfte in einer in die

509885/12BÜ

entsprechende einfach gemittelte Temperatur umgewandelten Form an.

Wird die Umgebungstemperatur in der vorstehenden Weise gemessen, dann absorbieren die Widerstände S bis 6 _g, 6 bis 6 äussere Strahlungswärme, was oft zu Fehlern bei der Temperaturmessung führt. Um diesen unerwünschten Vorgang zu vermeiden, ist es ratsam, einen Spulenwiderstand 11 zu nehmen, der wie in Fig. 11A durch Wendelung eines isolierten Widerstandes gebildet worden sein kann, beispielsweise durch Aufwickeln eines emaillierten Konstantandrahtes 9 um eine Teflonspule oder durch Aufwickeln eines kompakten Metalloxyd-Filmwiderstandes (Fig. 11B) mit einem Temperaturkoeffizient von beispielsweise weniger als 100 ppm/°C und Einsetzen in ein zylindrisches Ge.-häuse 14 (Fig. 11D), welches mit Stirnplatten 13 versehen ist, sowie eine erhöhte Oberflächenreflexion aufweist, die durch Verspiegelung oder Platierung mit Gold oder Chrom erzielt wurde. Ferner sollte jede der oben genannten Stirnplatten 13, deren Vorderansicht in Fig. 11C dargestellt ist, vorzugsweise eine Vielzahl von Löchern aufweisen, und die Spule 10 sollte tunlichst an beiden Umfangsrändern, wie in Fig. 11C dargestellt, eingekerbt sein. Darüberhinaus wird für einen der beiden Leiter des oben erwähnten Widerstandes 11 oder 12 das gleiche Material ausgewählt, aus dem einer der Leiter des Thermoelementpaares i>11 - ^₁-/ ^₂₁ - 5_₂ besteht, und für das Material des anderen Leiters 15 wird das gleiche Material ausgewählt, aus dem der andere Leiter der Thermoelementleiterpaare 5 - 5₁₉, 5 - 5_OO besteht. Diese Ausführung sichert eine überaus grosse Verlässlichkeit der Temperaturmessergebnisse.

Die mittleren Temperaturen der die Temperaturmesselemente 3 ,

I c*

umgebenden Bereiche, d.h. die mittleren Temperaturen T , τ. der

H L

Bereiche 2.., 2 der Atmosphäre können somit leicht und unmittelbar mit grosser Genauigkeit durch die Temperaturmesselemente 3.j, 1* gemessen werden. Wenn der pro Zeiteinheit und Flächeneinheit

5098 85/1284

(eindimensionale) durch den Gegenstand 1 strömende Wärmestrom Q mit Hilfe des obigen Verfahrens gemessen wird, dann kann die Wärmedurchgangszahl υ des Messgegenstandes 1 mit Hilfe der oben genannten Gleichung(22) aus den mittleren Umgebungstemperaturen T„, T₇. und der Grosse Q des eindimensionalen Wärmestromes errechnet

werden.

Bei der obigen Ausführungsform waren die Temperaturmesselemente 3 , 3„ mit den entsprechenden elektrischen Messgeräten 4 , 4 verbunden, um die mittleren Temperaturen T , T der Umgebungsbereiche oder Atmosphärenbereiche 2., 2~ zu beiden Seiten des Messgegenstandes 1 zu bestimmen, indem man zwischen den beiden mittleren Temperaturen eine Differenz (T_r. - T) bildete. Es ist jedoch möglich, die beiden Temperaturmesselemente 3.. , 3„ differential zu verbinden, wie in Fig. 12 dargestellt, so dass ein Differenzwert auf einem elektrischen Messgerät 4 mit Nullmitte (mittleren Nullpunkt) angezeigt wird. Diese Ausbildung ermöglicht die unmittelbare Bestimmung einer Differenz (T_TT - T_ ) zwischen

H L·

den mittleren Temperaturen beider Umgebungsbereiche 2. , 2_.

Bei der oben beschriebenen Ausführungsforra waren neun elektrische Widerstände mit gleichem Widerstandswert zwischen den Leitern eines Thermoelementleiterpaares zur Messung einer einfach (arithmetisch) gemittelten Temperatur angeordnet. Die Anzahl dieser Widerstände ist jedoch nicht auf die verwendete Anzahl beschränkt. Beispielsweise kann jede andere Anzahl von Widerständen, beispielsweise fünf, Anwendung finden. Wenn die Anzahl (beispielsweise 5) der verwendeten Widerstände den Bereich des Gegenstandes der Temperaturmessung nicht in gleiche Flächen unterteilen kann, dann ist es ratsam, den Widerstandswerten der in den jeweiligen Abschnitten oder Flächen angeordneten Widerstände Gewichte bzw. Wertvielfache zuzuordnen, die den unterteilten Flächen entsprechen, und einen mit verschiedenen Gewichten bzw. Wertvielfachen gemittelten Durchschnittswert zu bestimmen.

&09885/1?84

Bei der oben genannten Ausführungsform wurde das Temperaturmesselement zur Messung einer mittleren Umgebungstemperatur verwendet, um die Wärmedurchgangszahl eines Testmaterials zu bestimmen. Die Anwendung des erfindungsgemässen Temperaturmesselements ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Das Element kann auf vielen Gebieten bei der Bestimmung der mittleren Temperatur Anwendung finden, beispielsweise bei einem Ofen während eines diskontinuierlichen Verfahrens oder bei in eine Badewanne gefülltem Wasser.

Fig. 13 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher ein erfindungsgemässes Messelement zur Bestimmung anormaler örtlicher Temperaturänderungen im Zusammenhang mit einer Alarmvorrichtung Anwendung findet, wobei das Auftreten beispielsweise eines Feuers oder eines Lecks in der Wanne eines elektrischen Ofens festgestellt und ein Alarm ausgelöst wird.

Das von dem Temperaturmesselement 101 abgegebene Signal in Form einer thermo-elektromotorischen Kraft wird auf eine Alarmschaltung 102 aufgegeben, die ein Alarmsignal erzeugt, wenn die thermo-elektromotorische Kraft einen vorbestimmten Wert übersteigt.

Das Temperaturmesselement 101 besteht aus einem Thermoelementleiterpaar beispielsweise einem Kupferleiter 103 und einem Konstantanleiter 103-, sowie einer Anzahl von η wärmeempfindlichen Widerständen 104.. bis 104 , die in einem gleichen Abstand zwischen den Leitern parallelgeschaltet sind. Das Thermoe lement leiter paar 103.., 1O3₂ aus unterschiedlichem Material ist an einem Ende an die Alarmschaltung 102 über entsprechende, Kupferleiter 10S₁ , 1O5₂ angeschlossen.

Wie in Fig. 14 dargestellt, umfasst jeder der wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände 104. bis 104 einen Aluminiumblock

ι η

mit den Abmessungen 20mmx 10 im χ 2mm der drei durch ihn hindurchgehende Längsbohrungen von 1,2 mm Durchmesser aufweist,

h 0 9 8 8 h I 1 ') iU

einen Thermistor 107 mit negativen Charakteristiken, der in die mittlere Bohrung eingesetzt ist, sowie ein Thermoelementleiterpaar 103.. , 103,, aus unterschiedlichen Materialien, welches in die beiden seitlichen Bohrungen gesteckt ist, wobei beide Enden des Thermistors 107 mit den Leitern 103., 103 aus unterschiedlichem Material verbunden sind, wodurch die Temperatur eines als Testmaterial bestehenden Gegenstandes der Temperaturmessung verlässlich auf den Thermistor 107 und das Metallleiterpaar 103.., 103- übertragen wird. Die Aussenseite des Aluminiumblockes 106 ist mit einem hitzebeständigen Kautschuküberzug 108/beschichtet, beispielsweise Siliconkautschuk oder einem fluorierten Ka.utschuk um mechanischen Schutz und Fixierung des Thermistors 107 und des Thermoelementleiterpaares 103.. , 103 ₂ zu erreichen, die die Temperatur des Messgegenstandes und des Aluminiumblockes 106 durch die Wärmespeichereigenschaften des Überzuges zu egalisieren, und das Anhaften des Aluminiumblockes 106 an dem Messgegenstand zu verbessern. Die wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände 104.. bis 104 sind an den erforderlichen Stellen angeordnet.

Wenn bei der oben erwähnten Anordnung die Widerstandswerte des Thermoelementleiterpaares 103.., 103,,, die Widerstandswerte (R₁ bis R ) der wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände 104.. 104 bei Normaltemperatur und die innere Impedanz (R_Q der Alarmschaltung 102 so ausgewählt sind, dass sie geeignete Werte haben, um die Bedingung der Gleichuna (7) *u erfüllen, dann ist auch Gleichung (9) erfüllt. Treten anormale örtliche Temperaturanstiege an einigen der Stellen auf, an welchen sich die wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände 104.. bis 104 ■

befinden, dann erzeugt das Thermoelementleiterpaar 103., 103„ scharf ansteigende thermo-elektromotorische Kräfte entsprechend diesen Temperaturanstiegen.

Wie oben erwähnt, sind Kupferleitungen bzw. Kupferleiter 105-, 1052 ^{an das Tnermoe}l^emenfcl^eiterP^aar 103- bzw. 103- an einem

B 0 9 8 H K> / 1 ? R A

253089?

Ende angeschlossen, um eine Differential-Thermoelementschaltung zu bilden. Wenn in diesem Fall die Widerstandswerte der wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände 104^ bis bei Normaltemperatur so gewählt werden, dass sie die Bedingung der Gleichung (12) erfüllen, dann können die Widerstandswerte des Thermoelementleiterpaares 103.] , 1O3₂ und der Leiter 105-, 105„ vernachlässigt werden. Bezeichnet V₀ eine thermo-elektromotorische Kraft, die an der Verbindungsstelle des Konstantanleiters 103., mit dem Leiter 105_ auftritt, und bezeichnen V- bis V thermo-elektromotorische Kräfte, die an den durch die Widerstände 104-|bis 104 und die entsprechenden Abschnitte der Leiter 103-, 1O3₂ gebildeten Thermoelementen erzeugt werden, dann zeigt eine die Alarmschaltung 102 und das Temperaturmesselement 101 einschliessende äquivalente Schaltung die in Fig. 15 dargestellte Form. Bezeichnet V die Spannung an den beiden Ausgangsklemmen des Temperaturmesselementes 101, nämlich die der Alarmschaltung aufgeprägte Spannung, dann ergeben sich die folgenden Gleichungen:

^Rl ^R2 ^Rn

jr + ϊγ + ε- + έ-)ν (23)'

^K0 ^Kl ^R2 η

Wenn die Beziehungen V₁ = V- = V = V_Q (24)

in die obige Gleichung (23) eingesetzt wird, dann ergibt sich die folgende Gleichung

V = O (25)

Wenn daher die Temperaturen der Bereiche, welche das Temperaturmesselement 101 umgeben, in gleicher Weise ansteigen, dann

b 0 9 8 8 I» / 1 2 B 4

wird keine thermo-elektromotorische Kraft an den beiden Ausgangsklemmen des Temperaturmesselementes 101 erzeugt. Nur wenn irgendwelche anormalen örtlichen Temperaturanstiege in den das Temperaturmesselement 101 umgebenden Bereichen erfolgen, dann ergibt sich entsprechend dem örtlichen Temperaturanstieg eine plötzlich und stark erhöhte thermo-elektromotorische Kraft. Übersteigt diese thermo-elektromotorische Kraft einen vorbestimmten Wert, dann gibt die Alarmschaltung 102 ein Alarmsignal ab. Wenn beispielsweise die Temperatur eines gesamten Raumes oder elektrischen Ofens von einem vorgegebenen Wert auf einen höheren Wert ansteigt, so gibt die Alarmschaltung 102 kein Alarmsignal ab. Nur wenn irgendwelche anormalen örtlichen Temperaturanstiege in dem Raum oder dem elektrischen Ofen erfolgen, wird dies mit hoher Empfindlichkeit durch das ausgelöste Alarmsignal festgestellt.

Das erfindungsgemässe Temperaturmesselement 101 kann anormale örtliche Temperaturanstiege, die in einem das Temperaturmesselement 101 umgebenden Bereich auftreten, und die beispielsweise durch ein Feuer oder ein Leck der Schmelze aus einem elektrischen Ofen verursacht werden, mit hoher Empfindlichkeit einfach dadurch feststellen, dass eine Anzahl von η wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen104₁ bis 104 an vorgeschriebenen Stellen zwischen einem Thermoelementleiterpaar 103.. , 1032 ^räumlich verteilt werden. Da das Leiterpaar 103-, 103„ eine thermo-elektromotorische Kraft entsprechend irgendeinem in seiner Umgebung auftretenden anormalen Temperaturanstieg erzeugt, muss eine äussere Spannungsquelle nicht vorgesehen werden, und darüberhinaus kann das erfindungsgemässe Temperaturmesselement 101 völlig explosionssicher gemacht werden. Wie oben erwähnt, erzeugt das Thermoelementleiterpaar 103., 103„ gemeinsam nur* dann eine scharf^rhöhte thermo-elektromotorische Kraft, entsprechend einem anormalen örtlichen Temperaturanstieg, wo ein solcher anormaler örtlicher Temperaturanstieg in der Umgebung des Temperaturmesselementes 101 auftritt. Selbst wenn daher die Alarmschaltung 102 so ausgebildet ist, dass sie nicht auf einen Gradienten der Änderung der von den

B0988B/ 1284

Thermoelementleiterpaar 103-, 103 erzeugten thermo-elektromotorischen Kraft anspricht, d.h. auf einen auf die Zeiteinheit bezogenen Betrag dieser Änderung, sondern ganz einfach ausgebildet ist und nur dann anspricht, wenn im Zuge der Änderung ein vorher festgesetzter Wert für das von dem Leiterpaar 103.. , 103« erzeugte Signal überschritten wird, kann jeglicher Fehlalarm vermieden werden.

Bei der obigen Ausführungsform, bei welcher eine Differential-Thermoelementschaltung von dem Leiterpaar 103.. , 103« und den Leitern 105.., 105- gebildet wird, erzeugt das Temperaturmesselement 101 eine thermo-elektromotorische Kraft an ihren beiden Ausgangsklemmen nur dann, wenn ein anormaler örtlicher Temperaturanstieg in der Umgebung des Temperaturmesselementes 101 auftritt. Eine thermo-elektromotorische Kraft V₀, die an einer Differentialverbindung auftritt, nämlich einer Verbindung zwischen dem Thermoelementleiter 103_ und dem Leiter 105_, wird daher, verglichen mit dent hermoelektromotorischen Kräften V₁ bis V , die an den Verbindungen zwischen den wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen 104.. bis 104 und dem Thermoelementleiterpaar 103.,, 103 auftreten, in seinem Wert η-mal vervielfacht. Daher sollte die Messung von Temperaturänderungen an dieser Differentialverbindung unter entsprechender Berücksichtigung dieser Tatsachen durchgeführt werden. Zu diesem Zweck ist es ratsam, ein Paar von Temperaturmesselementen 10I₁, 101^ der gleichen Anordnung, wie sie in Fig. 16 dargestellt ist, vorzusehen, von denen eines ein Thermoelementleiterpaar 103.... , 103.. „ sowie eine Anzahl von η wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen 104 .. bis 104-, und das andere ein Thermoelementleiterpaar 1O3₂₁, 1O3„₂ und eine Anzahl von η wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen 1°4₉₁ bis 1O4_ ausweist, das Temperaturmesselementpaar 10I₁, 101-differential zu verbinden, eine Differentialverbindung zu der Alarmschaltung 102 herzustellen, und die Alarmschaltung so auszubilden, dass sie unterschiedliche Alarmsignale entsprechend der Polarität der an sie abgegebenen Differential-

509885/12

Signale abgibt. Diese Anordnung verhindert, dass eine an der Differentialverbindung auftretende thermo-elektromotorische Kraft in ihrem Wert η-fach vervielfacht wird, verglichen mit den durch das Thermoelement erzeugten elektromotorischen Kräften, das zu einem Teil von den wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen 104₁ bis 104 gebildet wird. Ferner machen es die von der Alarmschaltung 102 abgegebenen Alarmsignale, deren Form bzw. Art sich mit der Polarität der von den Temperaturmesselementen 101., 101₂ abgegebenen Differentialsignale ändert, möglich, herauszufinden, in welchem der mit dem Temperaturmesselementpaar 101., 101„ versehenen Bereiche ein anormaler örtlicher Temperaturanstieg aufgetreten ist. Wenn jedoch anormale örtliche Temperaturanstiege von im wesentlichen gleicher Stärke in beiden Bereichen, in denen sich die Temperaturmesselemente 101-, 101~ befinden auftreten, dann überlagern sich die von den Elementen 101., 101 abgegebenen Differentialsignale, was schliesslich dazu führt, dass überhaupt kein Differentialsignal abgegeben wird. Diese Tatsache sollte daher bei Anwandung der Ausführungsform der Fig. 16 immer im Auge behalten werden. Es ist auch möglich, von dem Thermoelementleiterpaar 103.., 1O3₂ direkt eine dort erzeugte ■thermoelektromotorische Kraft abzunehmen, anstatt eine Differentialverbindung zwischen den Leitern 103.., 1032 und den anschliessenden Leitungen bzw. Leitern herzustellen, oder das Temperatur- ■" messelementpaar 10I₁, 101» differential zu verbinden. Wenn in diesem Fall die Alarmschaltung 102 so ausgebildet ist, dass sie auf einen Gradient der Änderungen der von dem Temperaturmesselementpaar 101., 101„ abgegebenen Signale anspricht, d.h. auf einen Betrag der Temperaturänderung pro Zeiteinheit, oder wenn die Alarmschaltung so ausgebildet ist, dass sie nur auf elrife Änderung anspricht, wenn diese einen vorbestimmten Wert für die von den Schaltungen 101., 101„ abgegebenen thermo-elektromotorischen Kräfte übersteigt, dann ermöglicht es der erstgenannte Typ der Alarmschaltung 102, dass das Temperaturmesselementpaar 101., 101„ jeglichen scharfen

&Q9H8Ü/125/*

Anstieg der Gesamttemperatur feststellt, während es der zweitgenannte Typ der Alarmschaltung 102 ermöglicht, dass die Elemente 10I₁, 101„ den Anstieg der Gesamttemperatur über einen vorbestimmten Wert feststellen.

Bei keiner der oben beschriebenen Ausführungsformen ist es jedoch möglich, genau die Stelle in dem ein Temperaturmesselement umgebenden Bereich anzugeben, an welcher ein anormaler örtlicher Temperaturanstieg stattfand, wenngleich es möglich war, das Auftreten solcher anormaler örtlicher Temperaturanstiege einfach festzustellen. Wenn eine Vielzahl von (beispielsweise 8) Temperaturmesselementen 101- bis 1O1_R gleicher Ausbildung in Matrixform angeordnet werden, wie dies in Fig. 17 dargestellt ist, und jedes Thermoelementleiterpaar und die entsprechenden Leitungen differential miteinander verbunden werden, oder jeweils zwei der acht Temperaturmesselemente differential verbunden werden, wie dies in Fig. 18 dargestellt ist, und Differentialausgangssignale auf die Alarmschaltung 102 aufgegeben werden,dann ist es möglich, nicht nur jeglichen anormalen örtlichen Temperaturanstieg in einem alle Temperaturmesselemente 10I₁ bis 101g umgebenden Bereich festzustellen, sondern auch die genaue Stelle, an welcher der anormale örtliche Temperaturanstieg stattfand. Wie aus Fig. 17 hervorgeht, ist es, wenn alle von den acht Temperaturmesselementen 10I₁ bis 101Q abgegebenen Differentialsignale eine positive Polarität haben, möglich , dass anormale örtliche Temperaturanstiege an den Stellen stattfanden, welche durch schwarze Kreise markiert sind und an welchen sich die wärmeempfindlichen Widerstände befinden. Haben alle von den Elementen 10I₁ bis 101g abgegebenen Differentialsignale eine negative Polarität, dann zeigt dies anormale örtliche Temperaturanstiege an den durch weisse Kreise markierten Stellen, an denen die wärmeempfindlichen Widerstände angeordnet sind, an. Wenn ferner alle Temperaturmesselemente 10I₁ bis 101g Differentialsignale positiver Polarität abgeben, die Temperaturmesselemente

S0988B/12SA

253Q897

10I₃, 101 grosse Differentialsignale abgeben, die Temperaturmesselemente 101., 101g kleine Differentialsignale abgeben, und die anderen Temperaturmesselemente 10-1.,,. 10I_n, 101_, 101-

J ζ / ο

Differentialsignale vom Wert 0 abgeben, so zeigt dies an, dass ein anormaler örtlicher Temperaturanstieg an einer Stelle L stattfand, welche schraffiert ist, und die sich über die Temperaturmesselemente 101_, 101₅ erstreckt und nahe den Temperaturmesselementen 101., 101. liegt.

Bei allen obigen Ausführungsformen wurden die Thermistoren mit negativer Charakteristik, die zwischen den Thermoeleraentleiterpaaren angeordnet sind, so ausgewählt, dass sie einen gleichen Widerstandswert bei der gleichen Temperatur und eine gleiche charakteristische Temperatur B aufwiesen. Die Widerstandswerte oder charakteristischen Temperaturen dieser Thermistoren können jedoch so gewählt werden, dass sie Werte haben, welche mit der erwarteten Frequenz der anormalen örtlichen Temperaturanstiege an den Stellen der Temperaturmessung oder mit den aus diesen anormalen örtlichen Temperaturanstiegen sich ergebenden, erwarteten Gefahren übereinstimmen. Dieses Verfahren macht es möglich, den erwähnten Widerständen oder, charakteristischen Temperaturen B der Widerstände Gewichte bzw. Wertvielfache entsprechend der erwarteten Frequenz anormaler örtlicher Temperaturanstiege oder der von jedem dieser anormalen örtlichen Temperaturanstiege verursachten vorhergesehenen Gefahren zu geben.

Bei den oben beschriebenen Ausfuhrungsformen waren die wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände Thermistoren mit negativen Charakteristiken zur Bestimmung anormaler örtlicher Temperaturanstiege. Diese wärmeempfindlichen elektrischen Widerstände können jedoch* auch Thermistoren mit positiven Charakteristiken sein. Dieser Thermistortyp kann anormale örtliche Temperaturabfälle mit grosser Empfindlichkeit feststellen.

Bei einer der obigen Ausführungsformen wurde das erfindungsgemässe Temperaturmesselement zusammen mit einer Alarmvorrichtung für die

Abgabe eines Alarmsignals nach Feststellen eines Feuers oder eines Schmelzelecks in einem elektrischen Ofen verwendet. Die Anwendung der Erfindung ist jedoch nicht auf dieses Gebiet beschränkt. Die Erfindung kann auch bei einem Brutofen angewendet werden, um anormale örtliche Temperaturanstiege oder -abfalle in dem Brutofen mit hoher Empfindlichkeit festzustellen und hierdurch ,die Betriebssicherheit des Brutofens in signifikanter Weis_s zu erhöhen.

Das erfindungsgemässe Temperaturmesselement ist auch beispielsweise bei einer elektrischen Heizdecke anwendbar. Diese Anwendung erfolgt auf folgende Weise. Zunächst wird ein Thermoelementleiterpaar 103 , 103» aus unterschiedlichen Materialien vorgesehen, deren einer beispielsweise von dem Heizdraht 1O3₂ (Fig. 19) der Heizdecke gebildet wird. Dieses Thermoelementleiterpaar 103-, 1O3₂ wird unter gleichem Abstand in einen Schlauch (code) 111 eingebettet, der aus leitendem Kunststoff mit negativen Temperaturcharakteristiken besteht. Eine Vergleichs-Kaltlötstelle 112 ist an die Leiter 103^ bzw. 1O3₂ des Thermoelements an jedem ihrer Enden angeschlossen, um ein Temperaturmesselement 101 zu bilden, welches gleichzeitig als Heizelement dient. Die Ausgangssignale, die von dem Temperaturmesselement 101 abgegeben werden, werden einem Leistungsregelkreis 113 aufgegeben, der¹ mit der Heizdeckenheizung 1O3₂ verbunden J.st, und die Leistungsabgabe einer Leistungsquelle 114 und demzufolge die Leistungszufuhr zu der Heizdeckenheizung 103_ steuert. Bei dieser Anordnung werden mit hoher Empfindlichkeit anormale örtliche Temperaturanstiege infolge eines Verdrillens oder Abbiegens der elektrischen Heizdecke festgestellt, worauf unmittelbar ein Abspalten der Leistungszufuhr zu der Heizdeckenheizung erfolgt, so dass das Auftreten verschiedener Unfälle, die aus anormalen örtlichen Temperaturanstiegen entstehen können, wie beispielsweise eine Entzündung der Heizdecke oder Verbrennungen des Benutzers der Heizdecke, vermieden werden und die Sicherheit der elektrischen Heizdecke daher in signifikanter Weise erhöht

b 0 9 « B ^> / 1 2 8 U

wird. Wenn ein anormaler Temperaturanstieg in der gesamten Heizdecke erfolgt, beispielsweise infolge eines Ausfallens der Temperatursteuerungsvorrichtung, dann kann die vorliegende Ausbildung der elektrischen Heizdecke diesen anormalen Gesamttemperaturanstieg feststellen und jeglichen daraus herrührenden Unfall vermeiden.

Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsformen,mit Ausnahme der Aus führungs form der Fig. 1.9, bestand die oben definierte Widerstandseinheit, welche zwischen dem Thermoelementleiterpaar angeordnet ist, aus getrennten elektrischen Widerständen, nämlich punktförmigen Widerständen; sie kann jedoch auch aus einem verteilten Widerstand bestehen. Ein< Temperaturmesselement mit einem solchen verteilten Widerstand kann beispielsweise wie in Fig. 2OA dargestellt konstruiert sein. Dabei ist ein Thermoelementleiterpaar 202.., 202 auf einem Stück einer Folie aus Isoliermaterial, beispielsweise Papier oder Polyvinylchlorid, befestigt,und der Zwischenraum zwischen den Leitern 202., 202- ist beschichtet mit wärmeunempfindlicher oder wärmeempfindlicher, einen elektrischen Widerstand {d.h. einen vertr*^{1 Λ}*-.- ~ Widerstand) darstellender Kohlefarbe bestrichen, welche üblicherweise beispielsweise als Flächenheizelement verwendet wird, oder es ist, wie in, Fig. 20B dargestellt, das Thermoelementleiterpaar 202^, mit gleichem Abstand in einem Schlauch (code) 204 eingebettet, welcher aus wärmeunempfindlichem oder wärmeempfindlichem leitendem Kunststoff besteht,(d.h. einen verteilten Widerstand darstellt). Beide oben beschriebenen Anordnungen können die Temperatur genau und fehlerlos messen.

Das erfindungsgemässe Temperaturmesselement hat einen sehr einfachen Aufbau und besteht, wie oben erwähnt, aus einem Meta11leiterpaar, welches gemeinsam ein Thermoelement bildet, sowie einer zwischen den Metallleitern angeordneten elektrischen Widerstandseinheit, und es misst die Temperatur mit hoher

b 0 9 8 8 h I 1 7 B U

253089?

Empfindlichkeit, und ist darüberhinaus wegen des Fehlens einer äusseren Spannungsquelle nicht-selbstexplodierend, d.h. explosionssicher konstruiert, wodurch es grosse Sicherheit bietet.

S09885/1284

Claims (15)

1. 253089?

   Patentansprüche

   (' 1 /) Temperaturmesselement, gekennzeichnet durch ein ein Thermoelement bildendes Leiterpaar (A₁, A-) mit einer zwischen den Metallleitern angeordneten elektrischen Widerstandseinheit.
2. 2. Temperaturmesselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandswert eines die elektrische Widerstandseinheit bildenden elektrischen Widerstandes zu der Summe der Widerstandswerte der beiden Metallleiter (A-, A) im Verhältnis 30 : 1 oder einem grösseren Verhältnis steht.
3. 3. Temperaturmesselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinheit aus wärmeunempfindlichen elektrischen Widerständen besteht.
4. 4. Temperaturmesselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeunempfindliche elektrische Widerstand ein verteilter Widerstand ist.
5. 5. Temperaturmesselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeunempfindliche elektrische Widerstand einen Temperaturkoeffizienten von weniger als 300 ppm/°C absolut hat.
6. 6. Temperaturmesselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeunempfindliche elektrische Widerstand einen Temperaturkoeffizienten von weniger als 100 ppm/°C absolut hat.

   509885/128A
7. 7. Temperaturmesselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeunempfindliche elektrische Widerstand aus Konstantan besteht.
8. 8. Temperaturmesselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinheit wenigstens einen wärmeempfindlichen elektrischen Widerstand umfasst.
9. 9. Temperaturmesselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandseinheit aus wärmeempfindlichen elektrischen Widerständen besteht.
10. 10. Temperaturmesselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass der wärmeempfindliche elektrische Widerstand ein verteilter Widerstand ist.
11. 11. Temperaturmesselement nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass der wärmeempfindliche elektrische Widerstand eine charakteristische Temperatur von 1000 bis 5000 ⁰K hat.
12. 12. Temperaturmesselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeempfindliche elektrische Widerstand ein Thermistor mit positiven Charakteristiken ist.
13. 13. Temperaturmesselement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der wärmeempfindliche elektrische Widerstand ein Thermistor mit negativen Charakteristiken ist.
14. 14. Vorrichtung zur Messung der mittleren Temperatur eines vorgegebenen Bereiches, gekennzeichnet durch zwei gemeinsam ein Thermoelement bildende Metallleiter (A₁, A2), eine zwischen diesen beiden Metallleitern angeordnete wärmeunempfindliche elektrische Widerstandseinheit (B₁ bis B), sowie ein Messgerät (F) welches an jeweils einem der Enden der beiden Metallleiter an diese ange-

    509885/ 128Λ

    schlossen ist und eine Spannung zwischen den ,Enden der beiden Metallleiter misst, wobei die innere Impedanz des Messgerätes zu dem Gesamtwiderstandswert eines die Widerstandseinheit bildenden Widerstandes und der Summe der Widerstandswerte der beiden Metallleiter im Verhältnis von 30 : 1 oder einem grösseren Verhältnis steht, und wobei der Widerstandswert eines die Widerstandseinheit bildenden elektrischen Widerstandes zu der Summe der Widerstandswerte der beiden Metallleiter im Verhätnis von 30 : 1 oder einem grösseren Verhältnis steht.
15. 15.Vorrichtung zur Messung jeglicher anormaler Temperaturänderungen in einem vorgegebenen Bereich, gekennzeichnet durch zwei gemeinsam ein Thermoelement bildende Metallleiter (A₁, A), eine zwischen den beiden Metallleitern angeordnete, wärmeempfindliche elektrische Widerstandseinheit (B₁ bis B), sowie ein an je ein Ende der Metallleiter angeschlossenes Messgerät (F) zur Messung einer Spannung zwischen den Enden dieser beiden Metallleiter, wobei die innere Impedanz dieses Messgerätes zu der Gesamtheit der Widerstandswerte eines die Widerstandseinheit bildenden elektrischen Widerstandes und der Summe der Widerstandswerte der beiden Metallleiter im Verhältnis von etwa 30 : 1 oder einem grösseren Verhältnis steht, und . wobei der Widerstandswert eines die Widerstandseinheit bildenden elektrischen Widerstandes zu der Summe der Widerstandswerte der beiden Metallleiter im Verhältnis von etwa 30 : 1 oder einem grösseren Verhältnis steht.

    509885/ 1 28A

    Leerseite