DE4039339A1 - Temperatursensor fuer messobjekte - Google Patents

Description

Zur hochgenauen Erfassung der Temperatur von Meßobjekten ist es üblich, Kontakt-Temperatursensoren an der Oberfläche derselben anzubringen, da es mit berührungslos arbeitenden Temperatursensoren bislang nicht möglich ist, die geforderten Genauigkeiten von etwa 0,1 K bei der Messung zu erreichen. Bei den verwendeten Kontakt-Temperatursensoren handelt es sich meistens um Präzisionswiderstände, die an eine Auswerte- Elektronik angeschlossen sind. Zur Befestigung am Meßobjekt gibt es die verschiedensten Vorrichtungen.

In der Koordinatenmeßtechnik sind beispielsweise magnetische Befestigungsvorrichtungen vorgeschlagen, oder das Anbringen des Sensors erfolgt durch Anschrauben am Meßobjekt. Eine dritte Möglichkeit besteht auf diesem Gebiet noch im Anfedern der Sensor-Kontaktfläche an das Werkstück, wie es etwa in DE 38 23 373 beschrieben wird.

Diese bekannten Befestigungsvorrichtungen weisen jedoch ent­ scheidende Nachteile in der Handhabung auf. So ist das An­ bringen mittels magnetischer Haltevorrichtungen auf Meßob­ jekte aus ferromagnetischem Material beschränkt. Bei Werk­ stücken aus nichtmagnetischem Material, wie z. B. Aluminium, muß die Befestigung anderweitig erfolgen. Das Festschrauben des Kontakt-Temperatursensors am Meßobjekt erfordert das Anbringen von Bohrungen, was in der industriellen Fertigung eine ungewünschte Verlängerung der Rüstzeiten zur Folge hat. Weiterhin kann es beim Anschrauben Probleme mit geometri­ schen Werkstückformen geben, bei denen nicht immer ein An­ schrauben des Sensors an der gewünschten Stelle möglich ist. Außerdem ist es an verschiedenen Werkstücken nicht erwünscht zusätzliche Bohrungen anzubringen. Problematisch ist auch das Anfedern eines Kontakt-Temperatursensors, der an einer Halte­ rung der Bearbeitungsvorrichtung befestigt werden muß und deshalb bei den verschiedenen Werkstückformen nicht an jeder gewünschten Stelle angelegt werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Kontakt-Thermometer zu schaffen, das rasch an Werkstücken beliebigen Materials, bzw. beliebiger geometrischer Form befestigt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch den Sensor mit dem Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst. Einzelne Ausführungsformen finden sich in den Ansprüchen 2-9.

Zugrunde liegt dabei das folgende Prinzip: Durch Anlegen des Temperatursensors der im wesentlichen aus Gehäuse und Sensor- Einsatz besteht, an die Oberfläche des Meßobjektes wird der Sensor-Einsatz nach hinten gedrückt. Dabei entsteht ein Spalt zwischen Gehäuse und Sensor-Einsatz. Der im Gehäuseinneren herrschende Unterdruck bewirkt darauf ein Ansaugen des Tempe­ ratursensors an das Werkstück. Die Kontaktfläche des Sensors liegt unmittelbar am Werkstück an und über eine Auswerte- Elektronik erfolgt die Temperaturbestimmung.

Damit ist zum einen ein rasches Anbringen des Kontakt- Thermometers durch einfaches Anlegen des Sensors an die Meßobjektoberfläche gewährleistet. Keine Rolle spielt bei dieser Befestigungsmöglichkeit das Werkstückmaterial; der Sensor haftet auf den verschiedensten Oberflächen-Materia­ lien. Zudem ist ein Anbringen des Sensors an praktisch jeder Stelle des Meßobjektes möglich, vorausgesetzt die Auflage­ fläche ist für den Sensor zugänglich und innerhalb der Auf­ lagefläche plan genug, das Ansaugen zu ermöglichen.

Verwendung findet ein derartiger Sensor beispielsweise in der Koordinatenmeßtechnik, wo Temperatursensoren am Werkstück erforderlich sind, um eine eventuelle temperaturabhängige Längenänderung softwaremäßig zu korrigieren.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol­ genden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles anhand der beiliegenden Zeichnung.

Diese zeigt einen seitlichen Schnitt durch den Kontakt- Temperatursensor, der angesaugt an der Werkstückoberfläche anliegt.

Der komplette Temperatursensor besteht im Prinzip aus einem Gehäuse (1), in dem sich beweglich gelagert der eigentliche Sensor-Einsatz (2) befindet. Der Gehäuseinnenraum (15) ist dabei an eine Unterdruckleitung (3) angeschlossen, die mit Hilfe einer Hohlschraube (4) am Gehäuse (1) befestigt ist. An der äußeren Gehäusevorderseite, die am Meßobjekt (5) anliegt, befindet sich ein O-Ring (6), der als Dichtungs­ element dient, wenn sich der Sensor an das Meßobjekt (5) ansaugt.

Im Gehäuseinneren (15) befindet sich der eigentliche Sensor- Einsatz (2), der entlang der Achse Meßobjekt-Temperatursensor beweglich gelagert ist. Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Sensor-Einsatz (2) durch zwei Zylinderstifte (7a, 7b), die sich in zwei Bohrungen (8a, 8b) des Gehäuseteils (1) bewegen können, geführt. Durch entsprechend großes Spiel in den Bohrungen (8a, 8b) kann der Sensor-Einsatz (2) gering­ fügig verkippt werden, womit ein optimales Anliegen des Sensor-Einsatzes (2) an der Werkstück-Oberfläche gewährlei­ stet ist. Der Sensor-Einsatz (2) wird, solange er nicht am Meßobjekt (5) anliegt, durch eine gespannte Feder (9) gegen das innere Gehäusevorderteil gedrückt, so daß der Gehäuse­ innenraum (15) durch den Sensor-Einsatz (2) als Ventil nach außen abgeschlossen ist und dort der angelegte Unterdruck herrscht. Im dargestellten Ausführungsbeispiel liegt ein Unterdruck von etwa 0,8 bar ständig im Gehäuseinnenraum (15) an. Möglich wäre alternativ das Anlegen des Unterdrucks auch erst beim Anbringen des Sensors am Meßobjekt.

Als Dichtungselement zwischen Sensor-Einsatz (2) und Gehäuse (1) dient ein zweiter O-Ring (10), der am Sensor-Einsatz (2) befestigt ist. Der Sensor-Einsatz (2) ragt im Ruhestand mit seiner Kontaktfläche, die in Form einer planen Kontaktplatte (11) ausgeführt ist, über die vordere Gehäusebegrenzungs­ fläche inclusive Dichtungselement hinaus. Wird nun der Sensor an das Meßobjekt (5) angedrückt, so bewegt sich der Sensor- Einsatz (2) gegen die gespannte Feder nach hinten und es entsteht ein Spalt zwischen Sensor-Einsatz (2) und Gehäuse (1). Durch den im Innenraum (15) herrschenden Unterdruck wird der Sensor an die Meßobjekt-Oberfläche angesaugt und haftet auf ihr. Die Kontaktplatte (11) liegt dabei unmittelbar am Meßobjekt (5) an. Das eigentliche Temperatur-Meßelement (12) ist auf der Rückseite der Kontaktplatte (11) angebracht. Es kann sich beispielsweise um einen Temperaturfühler PT 100 (Platinwiderstand) handeln, wie er von der Fa. Degussa, Frankfurt unter der Bezeichnung GR 2102 vertrieben wird. Über Zuleitungen (13) ist dieses Meßelement mit der Auswerte- Elektronik (14) verbunden, die das ermittelte Signal in eine entsprechende Temperaturangabe umwandelt. Um einen möglichst guten Wärmeübergang vom Meßobjekt (5) auf die Kontaktplatte (11) und zum Meßelement (12) zu gewährleisten, verwendet man für die Kontaktplatte (11) ein Material mit hoher Wärmeleit­ fähigkeit und geringer Wärmekapazität wie z. B. Kupfer. Zu­ sätzlich kann die Kontaktplatte (11) noch versilbert werden, um Temperaturstrahlung aus der Umgebung vom Meßelement fern­ zuhalten. Der gewünschte gute Wärmeübergang zwischen Kontakt­ platte (11) und Meßelement (12) wird durch die Befestigung des Meßelementes (12) mit Hilfe eines Wärmeleitklebers ge­ währleistet. Um einen Wärmeabfluß an weitere Sensorteile zu verhindern, ist das Gehäuse (1) und der hintere Teil des Sensor-Einsatzes (2) aus Kunststoff gefertigt. Der Raum (16) hinter der Kontaktplatte (11) im Sensor-Einsatz (2) wurde mit einem weiteren Kunststoffmaterial ausgefüllt.

Bis das Meßelement (12) die Temperatur des Meßobjektes (5) angenommen hat, muß der Kontakt zwischen Sensor und Meßobjekt (5) eine bestimmte Zeit aufrecht erhalten werden. Diese Zeitdauer ist abhängig von der Ansprechempfindlichkeit des Meßelementes (12) und der Qualität der Wärmeleitung zwischen Meßobjekt (5), Kontaktplatte (11) und Meßelement (12). Durch entsprechende Versuche kann diese Zeitdauer ermittelt werden.

Eine komfortable Lösung gegenüber dem dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel in der Zeichnung ist zusätzlich das Heraus­ führen der Unterdruckleitung zusammen mit den Zuleitungen des Meßelementes. Dabei ist nur eine Bohrung im Gehäuse erfor­ derlich, d. h. es gibt keine Probleme mit der Abdichtung wei­ terer Bohrungen am Gehäuse.

Besonders geeignet ist ein derartiger Sensor zur Temperatur­ erfassung in der Koordinatenmeßtechnik, wo die erfaßten Temperaturmeßwerte zur Korrektur der temperaturabhängigen Längenausdehnung verwendet werden.

Claims (10)

1. Temperatursensor für Meßobjekte beliebiger Form und beliebigen Materials, bestehend aus einem Gehäuse (1) und einem Sensor-Einsatz (2), der im direkten Kontakt mit der Meßobjektoberfläche deren Temperatur mißt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Gehäuseinnenraum (15) an eine Unterdruckleitung (3) angeschlossen ist und einen Sensor- Einsatz (2) enthält, der in Richtung Meßobjekt (5) vor­ gespannt ist.

2. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor-Einsatz (2) im Gehäuseinnenraum (15) ent­ lang der Achse Meßobjekt-Temperatursensor beweglich ge­ lagert ist.

3. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehäuseinnenraum (15) durch den vorgespannten Sensor-Einsatz (2) als Ventil in Ruhestellung nach außen abgedichtet ist.

4. Temperatursensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine gespannte Feder (9) den Sensor-Einsatz (2) in Ruhestellung gegen das Gehäusevorderteil drückt, wobei die Meßobjekt-Kontaktfläche (11) des Sensor-Einsatzes (2) über die vordere Gehäusebegrenzungsfläche hinausragt.

5. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an der Außenseite der vorderen Gehäusewand ein O-Ring (6) als Dichtungselement befestigt ist, der einen größe­ ren Durchmesser besitzt als die Meßobjekt-Kontaktfläche (11) des Sensor-Einsatzes (2).

6. Temperatursensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß am Sensor-Einsatz (2) ein O-Ring (10) als Dichtungs­ element zwischen Gehäuseinnenwand und Sensor-Einsatz (2) befestigt ist.

7. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßobjekt-Kontaktfläche des Sensor-Einsatzes (2) in Form einer Platte (11) ausgeführt ist, an der das Temperatur-Meßelement (12) angebracht ist, wobei das Material der Kontaktplatte eine Wärmeleitfähigkeit
2380 W/mK eine niedrige Wärmekapazität aufweist.

8. Temperatursensor nach Anspruch 1 und 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Sensor-Einsatz (2) aus einem Material besteht, das eine geringere Wärmeleitfähigkeit als das Material der Kontaktplatte (11) besitzt.

9. Temperatursensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (13) des Temperatur-Meßelementes zusammen mit der Unterdruckleitung (3) aus dem Gehäuse (1) geführt sind.

10. Temperatursensor nach Anspruch 1 und einem der folgenden, gekennzeichnet durch die Verwendung in Koordinatenmeß­ geräten zur kontinuierlichen Erfassung der Werkstück- Temperatur während der Koordinaten-Messung.