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Einrichtung zur Temperaturmessung an insbesondere elektrischen
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Maschinen, Bauelementen oder dergleichen.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Temperaturmessung
an insbesondere elektrischen Maschinen, Bauelementen oder dergl., unter Ausnutzung
der Infrarotstrahlung mit einem zwischen Meßstelle und Strahlunasempfänger eingefügten
Lichtleiter.
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Um überhitzungen zu vermeiden, ist für Viele Maschinen oder Bauelemente
eine Temperaturüberwachung erforderlich. Dies trifft insbesondere auf solche Maschinen
oder Bauelemente zu, die mit elektrischen Wicklungen versehen sind. Übliche Temperaturmeßeinrichtungen,
die elektrische Leiter aufweisen, wie z.B. Thermoelemente oder Widerstandsthermometer,
sind in solchen Fällen jedoch kaum geeignet, in denen im Meßobjekt elektrische Felder
auftreten und/oder in denen Potentialunterschiede zwischen Meßobjekt und Anzeigegerät
vorhanden sind.
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Für solche Messungen können daher elektrisch nicht leitende Lichtleiter
eingesetzt werden, welche die temperaturabhängige Temperatur strahlung der Meßstelle
zu einem Strahlungsempfänger leiten, welcher die der Strahlungsintensität zugeordnete
Temperatur anzeigt oder ein zugeordnetes elektrisches Signal abgibt.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung nun die
Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art so weiterzubilden,
daß eine einfache und daher kostengünstige, universell anwendbare Temperaturmessung
von hoher Genauigkeit möglich ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe besteht nun bei einer Einrichtung der eingangs
genannten Art darin, daß der Lichtleiter weniostens eine hohle, mit einer für Infrarot-Strahlung
durchlässigen Füllung versehene Lichtleitfaser aufweist, die an ein an der vorgesehenen
Meßstelle angeordnetes Fühlelement gekoppelt ist. Hierdurch wird die der vierten
Potenz der absoluten Temperatur proportionale Gesamtstrahlung des Fühlelementes
erfaßt und durch die Lichtleitfaser dem Strahlunasempfänger zugeleitet. Die Füllung
der hohlen Lichtleitfaser mit einem Medium, welches Infrarotstrahlung durchläßt,
ergibt hierbei eine besonders verlustlose Weiterleitung der Gesatmstrahlung von
der Meßstelle zum Strahlungsempfänger, welcher die zugeordnete Temperatur anzeigt.
Dies trifft insbesondere für einen Temperaturbereich von etwa 30 bis 1500C zu. Als
Füllung der Lichtleitfaser kann z.B. Tetrachlorkohlenstoff Verwendung finden.
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Die Anzahl der verwendeten Lichtleitfasern wird man auf die Größe
des Fühlelementes und die baulichen Gegebenheiten des Einzelfalles abstimmen. So
können für beengte Verhältnisse und/oder um die Temperaturverteilung des Meßobjektes
möglichst wenig zu stören, Lichtleitfasern mit einem Durchmesser bis herab zu etwa
0,1 mm angewendet werden.
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Gemäß einer empfehlenswerten Weiterbildung der Erfindung kann das
Fühlelement im wesentlichen aus einem gut wärmeleitenden, vorzugsweise metallischen
Körper bestehen, der mit der Meßstelle gut wärmeleitend verbunden ist.
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Soll das Fühlelement hierbei in Maschinenteile oder zwischen elektrische
Wicklungen, z.B. in die Isoliermasse eingebettet werden, so kann das Fühlelement
vorteilhaft kugelförmig ausgebildet sein, wogegen es zur Messung von Oberflächentemperaturen
insbesondere plattenförmig und vorzugsweise der Kontur der Meßstelle angepaßt sein
kann.
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Eine andere, besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung kann
darin bestehen, daß das Fühlelement als Hohlraumstrahler ausgebildet ist, an dessen
Hohlraum die Lichtleitfaser angeschlossen ist. Da ein Hohlraumstrahler etwa die
Strahlungseigenschaften eines schwarzen Körpers aufweist, wird vom Lichtleiter eine
Strahlung erfaßt und zur Messung fortgeleitet, die der physikalischen Beziehung
zwischen Temperatur und Strahlungsintensität weitgehend entspricht.
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Um die Strahlungseigenschaften des Hohlraumes weitgehend denen eines
schwarzen Körpers anzunähern, weist vorteilhaft der Hohlraum eine Innenfläche auf,
die groß ist im Verhältnis zu der die Lichtleitfaser aufnehmenden Öffnung.
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Das Verhältnis beträgt vorteilhaft mindestens etwa 10 : 1.
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Die Ausbildung des Hohlraumes kann dadurch vereinfacht werden, daß
dieser vom Fühlelement und mindestens einem Verschlußstopfen begrenzt ist.
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Für eine gute E l,strahlung auf das Ende des Lichtleiters ist es günstig,
wenn der Hohlraum als Hohlkugel ausgebildet ist, mit einer etwa zum Zentrum ausgerichteten
Einführung der Lichtleitfaser. Hierbei kann die Lichtleitfaser von einer Wärmeisolierung
umgeben sein, so daß Meßwertverfälschungen infolge von Temperaturableitungen oder
Wärmezufuhr vermieden sind.
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Um den Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur auszuschalten,
kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung die Lichtleitfaser bzw. die Wärmeisolierung
von mindestens einem vorzugsweise thermostatisierten Kühlmedium wenigstens bereichsweise
umgeben sein. Dieses Kühlmedium ist vorteilhaft ein strömendes Fluid, das auf den
jeweiligen Fall abgestimmt sei-n muß. Für Messungen in elektrischen Maschinen besteht
dieses Fluid vorzugsweise aus elektrisch nichtleitendem Ö1, z.B. Transformatorenöl,
jedoch sind auch gasförmige Fluide, wie Luft, Kohlensäure oder Stickstoff einsetzbar.
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In manchen Fällen, z.B. bei kleinen oder handlichen Meßobjekten kann
das Fühlelement vom Meßobjekt mitgebildet sein, d.h. Meßobjekt und Fühlelement bestehen
aus einem Stück.
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Weitere Vorteile und empfehlenswerte Merkmale der Erfindung gehen
aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den schematischen
Figuren hervor. Hierbei zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt durch ein an einem Bauteil
angeordnetes plattenförmiges Fühlelement, Fig. 2 ein kugelförmiges, in einer elektrischen
Wicklung angeordnetes Fühlelement,
Fig. 3 ein als Hohlraumstrahler
ausgebildetes, in einer Maschine angeordnetes Fühlelement im Vertikalschnitt, Fig.
4 einen Querschnitt durch den Gegenstand der Fig. 3 gemäß der Schnittlinie IV -
IV, Fig. 5 das Ende eines Lichtleiters, der von einem Kühlmedium umgeben ist, in
größerem Maßstab im Längsschnitt und Fig. 6 einen Querschnitt durch den Gegenstand
der Fig. 5 gemäß der Schnittlinie VI - VI.
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In Fig. 1 ist ein Ausschnitt aus einer Maschine 10 dargestellt, deren
freie Oberfläche 12 mit einem Fühlelement 114 in Form einer kreisförmigen Platte
versehen ist. Das Fühlelement 114 besteht aus gut wärmeleitendem Material, wie z.B.
Kupfer oder Silber, und ist in gut wärmeleitendem Kontakt mit der Oberfläche 12
der Maschine 10. Zur Verbesserung des Kontaktes kann eine Schicht Wärmeleitpaste,
z.B. aus Aluminium oder Kupfer, zwischen dem Fühlelement 114 und der Maschine 10
eingefügt sein. Das plattenförmige Fühl-2 element 114 weist eine Fläche von etwa
1 bis 10 cm auf bei einer Dicke von etwa 0,1 bis 0,5 cm.
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Etwa im Zentrum des Fühlelementes 114 ist der Lichtleiter 16 angekoppelt.
Der Lichtleiter weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine einzige Lichtleitfaser
18 auf, die hohl, d.h. als Kapillare ausgebildet ist und mit einer für Infrarotstrahlung
(IR-Strahlung) durchlässigen Füllung 20 versehen und am Ende mit einem IR-Strahlung
durchlassenden Stopfen 22 verschlossen ist.Als Füllung 20 kommt z.B. Tetrachlorkohlenstoff,
gegebenenfalls mit Schwefelkohlenstoff gemischt, oder Tetrachloräthylen und als
Material für die Kapillare z.B.
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Quarzglas in Frage. Zur Befestigung der Lichtleitfaser 18
am
plattenförmigen Fühlelement 114 ist diese mit der Platte durch einen IR-strahlungsdurchlässigen
Klebstoff verbunden.
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Um Wärmeableitungen oder Wärmezufuhr durch den Mantel des Lichtleiters
16 zu vermeiden, ist dieser mit einer sich bis zum Fühlelement 114 erstreckenden
Wärmeisolierung 24 umgeben, ebenso ist das Fühlelement 114 mit einem wärmedämmenden
Isolierstoff 26 abgedeckt.
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Während des Betriebs der Maschine 10 nimmt infolge der gut wärmeleitenden
Ausbildung und Befestigung des Fühlelements 114 dieses die Maschinentemperatur an.
Die hierbei vom Fühlelement 114 abgegeb ene Wärmestrahlung wird durch den Lichtleiter
16 zum nicht dargestellten Strahlungsempfänger geleitet, der die Temperatur, welche
der übertragenen Strahlungsintensität zugeordnet ist, erfa3t und in einem Meßgerät
anzeigt. Da hierbei keinerlei elektrisch leitende Verbindung zwischen der Maschine
10 und dem Strahlungsempfänger bzw.
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Meßgerät besteht, stören oder erschweren gegebenenfalls zwischen der
Maschine 10 und dem Strahlungsempfänger vorhandene Potentialunterschiede und/oder
magnetische bzw.
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elektrische Felder die Messung nicht.
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In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Wicklung einer elektrischen
Maschine 28, z.B. eines elektrischen Motors, im Ausschnitt dargestellt. Die einzelnen
elektrischen Leiter 30 sind mit gegenseitigem Abstand in einer Isoliermasse 32 eingebettet.
Ebenso ist in dieser Isoliermasse im Raum zwischen den einzelnen Leitern 30 ein
Fühlelement 214 eingebettet, welches die Form etwa einer Kugel aufweist, und aus
einem gut wärmeleitfähigen Material, wie z.B. Kupfer, Aluminium oder Silber besteht.
An der Oberfläche dieser Kugel ist der Lichtleiter 24 befestigt, seine Befestigung
und Ausbildung ist wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 durchgeführt,
ebenso
erfolgt die Messung der Temperatur auf die gleiche Weise wie es beim Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 1 erläutert wurde.
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Da beim Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 keinerlei metallische Verbindungen
vom nicht dargestellten Strahlungsempfänger zum Fühlelement 214 erforderlich sind,
ist keinerlei Beeinflussung der Messung durch magnetische oder elektrische Felder
möglich, wie dies z.B. bei einer Temperaturmessung mit Thermoelementen der Fall
wäre.
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Fig. 3 zeigt einen Ausschnitt aus einer Maschine 10 in einem Vertikalschnitt.
Das Fühlelement 314 besteht hier aus einem Körper, der mit gut wärmeleitendem Kontakt
in dem zu messenden Bereich der Maschine angeordnet ist. Hierzu ist es am einfachsten,
wenn das Fühlelement 314, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel als zylindrischer
Körper ausgebildet und in eine entsprechende öffnung der Maschine 10 eingepreßt
ist. Hierbei muß der Werkstoff für das Fühlelement 314 selbstverständlich ebenfalls
gut wärmeleitend, z. B.
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metallisch sein, so daß das Temperaturprofil an der Meßstelle nicht
oder höchstens geringfügig gestört wird.
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Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel das Fühlelement 314 als Hohlraumstrahler
ausgebildet, ist etwa in seinem Zentrum ein Hohlraum 34 angeordnet, der am einfachsten
in Form einer Hohlkugel ausgebildet ist. Zur Herstellung dieser Hohlkugel wird im
Fühlelement 314 eine Bohrung eingebracht, deren Grund die Form einer halben Hohlkugel
36 aufweist, und anschließend die Bohrung mit einem Verschlußstopfen 38 verschlossen,
dessen linke Stirnseite ebenfalls als halbe Hohlkugel 40 ausgebildet ist, so daß
sich bei eingesetztem
Stopfen beide salbe Hohlkugeln 36, 40 zum
hohlkugelförmigen Hohlraum 34 vereinen. Der Verschlußstopfen 38 muß hierbei gut
wärmeleitend in das Fühlelement 314 eingesetzt sein, z.B. durch Einpressen oder
Einschrauben, ebenso muß das Material des Verschlußstopfens 38 gut wärmeleitend
sein.
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Um dem Hohlraum 34 einheitliche Strahlungseigenschaften zu verleihen,
bestehen seine Begrenzungswände aus gleichem Material und sind vorteilhaft mit einer
schwarzen Oberfläche versehen.
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Der zwischen dem Hohlraum 34 und dem nicht dargestellten Strahlungsempfänger
eingefügte Lichtleiter 16 verläuft etwa im Bereich der Längsachse des Stopfens 38
und schließt etwa bündig mit der Wand des Hohlraums 34 ab. Bezüglich der Ausbildung
des Lichtleiters und seiner Isolierung gelten auch hier die zu Fig. 1 gegebenen
Erläuterungen. Der Querschnitt der öffnung 42, welche den Lichtleiter 16 aufnimmt,
ist klein im Verhältnis zur Fläche des Hohlraumes 34 vorteilhaft im Verhältnis mindestens
etwa 1' 10.
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Während des Betriebs der Maschine 10 nimmt infolge der gut wärmeleitenden
Ausbildung und Befestigung des Fühlelements 314 die Innenwand des Hohlraumes 34
die Maschinentemperatur an. Die auf die Stirnfläche des Lichtleiters 16 auftreffende
Strahlung ist hierbei mit der Strahlung des absolut schwarzen Körpers etwa identisch,
sie wird vom Lichtleiter 16 zum nicht dargestellten Strahlungsempfänger geleitet,
die zugeordnete Temperatur dort ermittelt und von einem Meßgerät angezeigt.
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Die Form des Fühlelements, in welchem der Hohlraum 34 ausgebildet
ist, kann beliebig sein. So könnte insbesondere auch das Fühlelement 114 oder 214
mit einem Hohlraum versehen sein, an den der Lichtleiter angeschlossen ist.
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Die Abmessungen der Fühlelemente sind jeweils auf den besonderen Anwendungs-
und Meßfall abgestimmt. So kann das kugelförmigeFühlelement 214 mit einem Durchmesser
bis herab zu etwa 0,5 mm hergestellt werden, wobei die Lichtleitfaser einen Durchmesser
von etwa 0,1 mm aufweisen wird. Das Fühlelement 314 kann mit Hauptabmessungen hergestellt
werden, die bis herab in den Bereich um 1 mm reichen.
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Schließlich kann die Lichtleitfaser 18 bzw. die Wärmeisolierung 24
von einem Kühlmedium 44 umgeben sein, wie dies in den Figuren 5 und 6 dargestellt
ist, die eine Ausführungsvariante des Lichtleiters 16 zeigen. Hierzu weist der Lichtleiter
16 eine mit Abstand verlaufende, etwa rohrformige Umhüllung 46, z.B. aus Kunststoff
auf. Der Innenraum der Umhüllung ist durch Stege 48, z.B. aus Kunststoff, die sich
von der Umhüllung 46 bis zum Lichtleiter 18 etwa radial erstrecken, in einen ersten
Raum 50 und einen zweiten Raum 52 aufgeteilt. Die Räume 50, 52 sind im Bereich des
Stopfens 22 miteinander verbunden, z.B. durch Weglassen der Stege 48 in diesem Bereich,
so daß das dem ersten Raum 50 am nicht dargestellten Ende des Lichtleiters 16 zugeführte
Kühlmedium 44 bis etwa zum dargestellten Ende des Lichtleiters strömt, in den zweiten
Raum 52 übertritt und hier zum nicht dargestellten Ende des Lichtleiters zurückströmt.
Diese Strömung ist durch Pfeile angedeutet. Das zugeführte Kühlmedium ist vorzugsweise
thermostatisiert, d.h. auf eine bestimmte, konstande Eintrittstemperatur geregelt,
jeder störende Temperatureinfluß auf die Temperaturmessung ist somit ausgeschaltet.