DE4039339C2 - Temperatursensor für 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 A1 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.

Die deutsche Patentschrift DE 34 11 342 C2 zeigt eine Vorrichtung zum berührungslosen Messen der Temperatur der Oberfläche eines Werkstückes. Die Vorrichtung weist hierbei einen beweglichen Meßstift mit einer Axialbohrung auf, dessen werkstückseitiges Ende in einem geringen Abstand über dem zu vermessenden Werkstück schwebt. Der geringe Abstand wird aufrechterhalten, in dem durch die Axialbohrung Druckluft an das werkstückseitige Ende des Meßstiftes geleitet wird, sodaß zwischen dem werkstückseitigen Ende des Meßstiftes und dem zu vermessenden Werkstück kontinuierlich ein dünnes Luftpolster aufrecht erhalten wird. Im werkstückseitigen Ende des Meßstiftes befinden sich Thermoelemente, die die Temperatur der Werkstückoberfläche messen.

Das Patent DD 283 208 A5 zeigt einen Temperaturmeßfühler, bei dem im Ende eines Rohres in einer geeigneten Aussparung ein Mantelthermoelement untergebraucht ist, welches ähnlich einer Schraubenfeder ausgebildet ist und über den vorderen Rand des Rohres hinaussteht. Das über den vorderen Rand des Rohres hinausstehende Ende des schraubenförmig ausgebildeten Mantelthermoelementes weist an seinem Ende eine Lötstelle auf, die die Temperatur eines zu vermessenden Werkstückes mißt. Dazu wird das Rohr auf das zu vermessende Werkstück aufgelegt und zwar so lange, bis das spiralförmig ausgebildete Mantelthermoelement vollständig in die Aussparung eingedrückt ist und somit das Rohr auf dem zu vermessenden Werkstück aufliegt. Zu diesem Zeitpunkt wird bedingt durch die schraubenfederartige Ausbildung des Mantelthermoelementes die besagte Lötstelle auf das Werkstück aufgepreßt.

Die JP 61-243 333 (A) in Patents Abstracts, Vol. 11 (1987), 23. März 1987, No. 91(P558) zeigt eine Temperaturmeßvorrichtung, bei der ein Temperaturfühler in der Bohrung eines Magneten gegen eine Feder verschieblich über den Rand des Magneten hinausragt. Zum Messen der Werkstücktemperatur wird die Vorrichtung so lange auf das zu vermessende Bauteil aufgepreßt, bis der Temperaturfühler gegen die Kraft der Feder vollständig in die Aussparung des Magneten eingetaucht ist und der Magnet an dem zu messenden Bauteil anhaftet.

Das Deutsche Gebrauchsmuster 72 22 756 zeigt ein elektronisches Handmeßgerät, mit dem Temperaturen gemessen werden können. Das Handmeßgerät weist ein Teleskoprohr auf, an dessen Ende sich ein durch eine Feder vorgespannter Temperaturfühler befindet. Zur Messung wird der Temperaturfühler so lange gegen die Kraft der vorgespannten Feder gegen das Meßobjekt gepreßt, bis der Temperaturfühler vollständig in das Teleskoprohr eingetaucht ist und damit das Ende des Teleskoprohres auf dem Meßobjekt zum Liegen kommt. In einer der beiden in dem betreffenden Gebrauchsmuster gezeigten Ausführungsformen kann hierbei am Ende des Teleskoprohres noch ein Ringmagnet vorgesehen sein, der nach dem Eintauchen des Temperatursensors in das Teleskoprohr unmittelbar am Werkstück festhaftet.

Das deutsche Gebrauchsmuster 18 91 637 zeigt wiederum eine Meßvorrichtung zur Messung der Temperatur von Werkstückoberflächen. Die Vorrichtung weist im wesentlichen auf der Seite des Temperaturfühlers eine Dreibeinauflage auf, die zur Auflage auf der zu vermessenden Werkstückoberfläche gedacht ist, wobei sich zentral zwischen den drei Beinen ein an einer Feder befestigter Temperaturfühler befindet, der im nicht angetasteten Zustand über das Ende des Dreibeins hinaussteht. Zur Temperaturmessung wird der Temperaturfühler auf dem zu vermessenden Werkstück aufgesetzt, wobei die Einrichtung so lange gegen die Federkraft auf die zu vermessenden Werkstückobefläche zubewegt wird, bis die drei Beine der Dreibeinauflage auf der Werkstückoberfläche anliegen.

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 2-10.

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 Temperatursensors 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-Materialien. Zudem ist ein Anbringen des Sensors an praktisch jeder Stelle des Meßobjektes möglich, vorausgesetzt die Auflagefläche ist für den Sensor zugänglich und innerhalb der Auflagefläche 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 Gehäuseinnenraum (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 Gehäuses (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-Einstz (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 Gehäuseinnenraum (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 Temperatur-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 Temperatur-Meßelement (12) wird durch die Befestigung des Temperatur-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 Temperatur-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 Temperatur-Meßelementes (12) und der Wärmeleitung zwischen Meßobjekt (5), Kontaktplatte (11) und Temperatur-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 (5) 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 den 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(5)-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 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 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 Kontaktplatte (11) ausgeführt ist, an der ein Temperatur-Meßelement (12) angebracht ist, wobei das Material der Kontaktplatte (11) eine Wärmeleitfähigkeit λ ≧ 380 W/mK und eine niedrige Wärmekapazität aufweist.

8. Temperatursensor nach Anspruch 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 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitungen (13) des Temperatur-Meßelementes (12) zusammen mit der Unterdruckleitung (3) aus dem Gehäuse (1) geführt sind.

10. Temperatursensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 gekennzeichnet durch die Verwendung in Koordinatenmeß­ geräten zur kontinuierlichen Erfassung der Werkstück- Temperatur während der Koordinaten-Messung.