DE4244189A1 - Anlegetemperaturfühler - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Anlege-Temperaturfühler zur
Bestimmung der Oberflächentemperatur eines Meßobjekts, wobei
thermisch isoliert eine Kontaktplatte mit einem temperatur
empfindlichen Element auf das Meßobjekt gepreßt wird.
Aus der DE-A-30 38 956 ist ein Anlege-Temperaturfühler für
Rohrleitungen bekannt. Das temperaturempfindliche Element befin
det sich hier in einem Kontaktteil mit verschiedenartig gekrümm
ten Außenwänden. Je nach Form des Objekts wird eine entspre
chende Außenwand gewählt und mit dem Fühler eng an das Meßobjekt
angeklemmt. Nachteilig ist hierbei, daß sich der Anlegefühler
nicht für unterschiedliche Oberflächen eignet, er keine punkt
genauen Messungen zuläßt und lange Meßzeiten verlangt.
Die DE-A-40 39 336 beschreibt einen Anlege-Temperaturfüh
ler, wo eine plane Kontaktplatte mit einem Meßelement durch
Unterdruck bündig an die Objektoberfläche angesaugt wird. Die
Kontaktplatte ist Teil eines verschieblichen Sensor- und Dich
tungseinsatzes, der sich auch geringfügig verkippen kann. Da
durch wird ein besseres Anliegen der Kontaktplatte am Objekt
erreicht als sonst durch Anklemmen, Anschrauben, Anfedern oder
mit Magneten. Der technische Aufwand für die Unter
druckeinrichtung ist jedoch erheblich.
Die DE-OS 40 39 336 offenbart einen Temperaturmeßkopf für
ein Koordinatenmeßgerät. Der als Anlege-Temperaturfühler aus
gebildete Meßkopf dient zur schnellen Werkstücks-Temperatur
messung. Er besteht aus einer gehäusefesten Hülse und einem
federbeweglich auslenkbaren Teil, an dessen unteren Ende ein
Kugelgelenk eine zweite Knickstelle bildet. Das Kugelgelenk
enthält einen Sensoreinsatz mit einer planen Kontaktplatte und
dem temperaturempfindlichen Meßelement. Die zweite Knickstelle
im Meßkopfsystem soll ein flächiges Anliegen der Kontaktplatte
an der Meßobjekt-Oberfläche gewährleisten. Durch die zusätzliche
Kugelgelenk-Knickstelle- sind Schräglagen der Werkstück-Ober
fläche zur Achse des Meßkopfsystems von bis zu 10 Grad aus
gleichbar. Nachteilig ist jedoch, daß die zusätzliche Kugel
gelenk-Knickstelle technisch aufwendig ist und schnell schwer
gängig wird.
Der Grund für die Unzuverlässigkeit und die mangelnde Meß
genauigkeit bei Handgeräten ist unklar. Vermutlich wird aber bei
Handgeräten die Kontaktplatte beim Messen nicht bündig genug an
die Objekt-Oberfläche angelegt. Einerseits darf nämlich die Kon
taktplatte nicht zu klein bemessen sein, da sonst kleinste Ver
schmutzungen oder Ablagerungen bereits den Wärmefluß auf die
Kontaktfläche übermäßig beeinträchtigen können. Auch entfällt
dann die visuelle Kontrolle, ob die Kontaktplatte tatsächlich am
Objekt bündig anliegt oder verkippt ist. Kleine Kontaktplatten
sind ferner mechanisch wenig stabil, und sie verbiegen leicht,
da das Anlegen oft mit relativ hohem Anpressdruck erfolgt. Hand
geräte mit kleiner Kontaktplatte sind daher nur im Neuzustand
genau und nicht praxistauglich.
Ist anderseits die Kontaktplatte vergleichsweise groß aus
gebildet, so kann keine punktförmige Messung mehr erfolgen. Auch
benötigen die Messungen wegen der größeren Wärmekapazität der
Platte mehr Zeit. Nachteilig bei großen Kontaktplatten ist auch,
daß dann ihnen oft keine genügend großen planen Flächen am
Objekt gegenüberstehen. Es besteht daher die Vorgabe, daß die
Kontaktplatte des Anlege-Temperaturfühlers etwa Bleistiftdicke,
also zwischen 0,2 und 1,2 cm Kreisdurchmesser, besitzen soll.
Bei derartigen Handgeräten ist aber zu beobachten, daß sie
nicht zu genauen Meßwerten führen, selbst wenn sie, wie vorsteh
end, mit ein oder mehreren Gelenken zum bündigen Anlegen der
Kontaktplatte versehen sind. Dies ist zum Teil darauf zurück
zuführen, daß die Hand im notwendigen Meßzeitraum von ca. 5 bis
30 Sekunden wegen der ständigen Körperbewegungen nicht ruhig
gehalten werden kann oder zu zittern beginnt. Dadurch kommt es
laufend zu kleinen Verkippungen der Kontaktplatte, und der
konstante Wärmefluß auf die Kontaktplatte ist gestört. Übliche
Gelenke zwischen Griff und Kontaktplatte können dieses Problem
nicht beseitigen, da die Kräfte für ein Verkippen bei kleiner
Auflagefläche sehr gering sind. Wird hingegen die Kontaktplatte
fester angepreßt, so nimmt auch das Zittern der Hand zu. Ferner
sind die Zitterbewegungen der Hand vielgestaltig und von großer
Dynamik, so daß ihnen mit üblichen Gelenkkonstruktionen nicht
begegnet werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Anlege-Temperaturfühler
zur Verfügung zu stellen, der die vorstehend genannten Nachteile
des Standes der Technik überwindet. Der Anlege-Temperaturfühler
soll insbesondere für Handgeräte geeignet sein. Der Fühler muß
mechanisch stabil, verschmutzungsunempfindlich sowie kostengün
stig herzustellen sein.
Diese Aufgabe wird durch einen Anlege-Temperaturfühler mit
den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungsfor
men der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den
Beispielen.
Die erfindungsgemäße Konstruktion der Halterung erlaubt ein
besseres bündiges Anlegen der Kontaktplatte an die Meßobjekt-
Oberfläche. Die Zitterbewegungen der Hand werden durch das
gummielastische Halterungsstück ideal ausgeglichen, so daß es
nach dem Anlegen zu keinem Mikroverkippen der Kontaktplatte mehr
kommt. Auch eine geringe Wegbewegung der Hand von der Objekt
fläche wird durch die gummielastische Anfederung in gewissem Um
fang kompensiert, genauso wie ein leichtes Zittern der Auflage
fläche.
Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt ferner ein punkt
genaueres Messen bei schiefer Auflagefläche, wobei der Kipp
winkel bis zu 10° und mehr betragen kann. Denn bei mechanisch
starren Gelenkkonstruktionen bedeutet eine Auslenkung zugleich
auch ein seitliches Versetzen der Kontaktplatte aus der Symme
trieachse der Vorrichtung. Demgegenüber kommt es bei einer gum
mielastischen Halterung zu einer Kompression an einer Seite. Da
durch ist die Schubkraft parallel zur Objektfläche geringer und
die Kontaktplatte liegt ortsfest auf.
Die gummielastische Halterungskonstruktion bietet zugleich
einen Überlastschutz gegen ein zu starkes Anpressen. Denn ist
die Anpreßkraft zu groß, so knickt die Gummihalterung mittig
ein. Die Kontaktplatte kann daher nur mit einer bestimmten
Maximalkraft an die Objektoberfläche gepreßt werden. Ferner
reguliert sich der Anpreßdruck in gewissen Umfang selbständig
über den Dehnungs- bzw. Kompressionsmodul der Gummihalterung, so
daß die Kontaktplatte jedesmal mit ähnlichem Druck an das Objekt
gepreßt wird. Die Messungen werden somit reproduzierbarer.
Ferner sind gummielastische Materialien gut wärmeisolie
rend, so daß der Wärmeabfluß von der Kontaktplatte auf ein Mini
mum beschränkt ist. Die nachstehend gezeigte gummielastische
Halterung läßt sich auch vergleichsweise einfach herstellen, sie
ist weitgehend verschleißfrei und kann nicht verschmutzen, wie
mechanische Gelenke. Es besteht somit ein erheblicher prakti
scher und wirtschaftlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Hal
terungen.
In der allgemeinen Ausführungsform besteht der Anlege-Tem
peraturfühler aus einer im wesentlichen planen Kontaktplatte,
die vorzugsweise rund oder oval ist, aber ggf. auch, für beson
dere Anwendungsformen, konkav oder konvex gekrümmt sein kann.
Die Kontaktplatte besteht vorzugsweise aus einem gut wärmelei
tenden Material geringer Wärmekapazität, wie Kupfer oder Alumi
nium. Die Kontaktplatte kann zur Verminderung der Wärmeabstrah
lung und zur Verbesserung des Kontaktes, d. h. für eine bessere
Wärmeleitung vom Objekt auf die Kontaktplatte, auch versilbert
sein oder ganz aus Silber bestehen. Es kann auch günstig sein,
die Kontaktplatte zu vergolden, um Korrosion oder das Festsetzen
von Verunreinigungen zu verhindern.
Die Kontaktplatte ist am vorderen Ende einer auslenk- und
verkippbaren Haltevorrichtung befestigt. Die erfindungsgemäße
Haltevorrichtung besteht aus einem gummielastischen, thermisch
isolierenden Material, vorzugsweise aus Siliconkautschuk oder
einem natürlichen oder künstlichen Kautschuk. Das Kautschuk-
oder Siliconmaterial besitzt vorzugsweise eine Shore-Härte von
20 bis 90, besonders bevorzugt zwischen 50 und 60, da dann -
bspw. bei einer zylindrischen Halterung mit einer Länge von ca.
2 cm und einem Durchmesser von 6 mm - eine für eine Hand
halterung angemessene Verbiegbarkeit und Anfederung resultieren.
Eine für eine Handhalterung angemessene Anfederung liegt üblich
vor, wenn bei senkrechter Auflagekraft von ca. 100 g auf die
Kontaktplatte die Haltevorrichtung in der Länge 2 bis 10%
komprimiert wird. Eine angemessene Verbiegbarkeit ist gegeben,
wenn bei seitlicher Schubkraft von 10 g - parallel zur
Auflagefläche - das vordere Ende der Gummihalterung um ca. 1 bis
5 mm ausgelenkt wird. Wegen des Temperatur-Meßbereichs sind
Kautschukmaterialien mit thermisch stabilen Eigenschaften bis
ca. 350°C bevorzugt.
Die Kontaktplatte ist unmittelbar in oder an der vorderen
Stirnwand des zylindrischen Halterungssystems befestigt, bspw.
durch Kleben oder Anvulkanisieren. Die Kontaktplatte besitzt
deshalb vorzugsweise hakenförmige Vorsprünge an der Seite, so
daß die Gummihalterung und die Platte zur sicheren Verbindung
ineinandergreifen.
In einer anderem bevorzugten Ausführungsform ist die Hal
terung ein Schlauch, der im Inneren mit einem thermisch isolie
renden elastischen Gummimaterial, insbesondere mit Silicon
kautschuk, gefüllt ist. Dies soll einerseits den Halteschlauch
versteifen und ihn gegen ein Einknicken bei mittlerem Anpreß
druck sichern, andererseits werden dadurch die im Innern des
Schlauches verlaufenden Zuleitungen zur Kontaktplatte mechanisch
gesichert.
Das Temperaturelement liegt auf der von der Auflagefläche
abgewandten Seite der Kontaktplatte. Das Temperaturelement ist
vorzugsweise ein Thermoelement, wo in nicht zu großen Tempera
turintervallen die Thermospannung proportional zur Temperatur
differenz ist, wie z. B. bei den Kombinationen Fe-Konstantan oder
Cu-Konstantan. Besonders bevorzugt ist ein Ni-Cr-Ni-Thermoele
ment. Das Temperaturelement kann auch ein Halbleiterfühlelement,
insbesondere ein Siliciumfühlelement sein, oder ein Metallfilm
fühlelement. Die Temperatur der Kontaktplatte kann ferner durch
temperaturempfindliche Meßwiderstände bestimmt werden. Das
temperaturempfindliche Element ist vorzugsweise mit einem Wärme
leitkleber an der Kontaktplatte befestigt.
Die metallischen Kontaktleitungen zum Meßelement im
Schlauch sind gewendelt, so daß der Temperaturgradient in Rich
tung der Haltevorrichtung flacher ist. Dadurch wird der Wärme
abfluß von der Kontaktplatte über die metallischen Kontaktlei
tungen vermindert. Ferner stellt die Wendelung der Zuleitungen
einen Schutz dar gegen ein mechanisches Brechen, insbesondere
bei einer großen Auslenkung oder einem starken Verkippen der
Kontaktplatte.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
umfaßt die gummielastische Halterung einen Innenschlauch, um den
mindestens eine Zuleitung zum Fühlelement wendelförmig gewickelt
ist. Ggf. kann die Zuleitung auf den Innenschlauch geklebt sein.
Die zweite Leitung zum Meßelement kann dann wendelförmig innen
im Schlauch verlaufen, ggf. ist die Innenleitung von innen an
die Wand des Innenschlauches geklebt. Der Innenschlauch wird
dann mit einem gummielastischen Material umvulkanisiert. Dies
erfolgt vorzugsweise in einem Schritt mit dem Anvulkanisieren
der Kontaktplatte.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen der Erfindungen sind
in der nachfolgenden Beschreibung anhand der Beispiele und den
Zeichnungen beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 eine teilweise perspektivische Ansicht eines
Anlege-Temperaturfühlers im Schnitt;
Fig. 2 einen Anlege-Temperaturfühler (Außenschlauchform)
im Schnitt auf einer verkippten Meßobjekt-Ober
fläche;
Fig. 3 einen Anlege-Temperaturfühler mit Innenschlauch.
Die Fig. 1 zeigt einen Anlege-Temperturfühler (10), beste
hend aus einem gummielastischen Kautschukmaterial (20) in
Zylinderform und einer an die Stirnfläche des Zylinders anvul
kanisierten Kontaktplatte (26) mit Halterungs- oder Widerhaken
(24), so daß das gummielastische Haltesystem und die Kontakt
platte (26) zur festen Verbindung ineinander eingreifen. Die
Kontaktplatte (26) steht ein wenig aus dem gummielastischen
Kautschukmaterial (20) hervor, so daß ein ungestörter Kontakt
mit der Objektoberfläche (28) erfolgen kann. Auf der Innenseite
der Kontaktplatte (26) ist mit Wärmeleitkleber ein Thermoelement
(22) befestigt. Das Thermoelement wird über zwei gewendelte
elektrische Kontaktleitungen (18) abgegriffen. Die Leitungen
(18) führen zu einem mechanisch festen Halterungselement (14),
an der die rückwärtige Stirnfläche des zylindrischen Kautschuk
materials (20) angeklebt oder anvulkanisiert ist. Die Zuleitun
gen (18) führen zu einem elektrischen Anschlußstück (16) im
Halterungselement (14). Das Halterungssystem aus dem Kautschuk
material (20) ist 2 bis 4 cm, vorzugsweise ca. 2 cm lang, der
Durchmesser des Zylinders beträgt ca. 6 mm. Die elektrischen
Temperatursignale des Thermoelements werden schließlich in einer
Auswerteeinheit (12) erfaßt und entweder direkt in Tempera
turwerte umgewandelt oder es wird aus der zeitlichen Änderung
der Fühlertemperatur sowie material- und kontaktspezifischen
Konstanten die Oberflächentemperatur des Meßobjekts extrapo
liert. Die gesamte Anordnung ist vorzugsweise um eine Achse (30)
symmetrisch, um so jeder räumlichen Präferenz im Hinblick bspw.
auf die Kippneigung oder den Temperaturfluß zu begegnen.
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Anlege-Temperatur
fühler, wo die Kontaktplatte (26) an einer bspw. um 5° verkipp
ten Oberfläche (28) angelegt wird. Bei dieser Ausführungsform
ist die Kontaktplatte (26) an das vordere Ende eines Halte
schlauches (32) befestigt. Der Innenraum des Halteschlauches
(32) ist mit einem gummielastischen und wärmeisolierenden Kaut
schukmaterial (20) gefüllt. Durch geeignete Wahl des gummiela
stischen Materials kann man dann leicht die Vorrichtung für ein
Verkippen (34) der Kontaktplatte zur Mittelachse des Meßfühlers
von bis zu 20° auslegen.
Fig. 3 zeigt die vermutliche beste Ausführungsform der
Erfindung. Die Zuleitungen (18) zum Thermoelement (22), einem
Ni-Cr-Ni-Element, sind hierbei einmal außen (18a) um einen
Innenschlauch (36) und einmal im Inneren (18b) des Innen
schlauches (36) geführt. Die Außenzuleitung (18b) ist auf den
Innenschlauch aufgeklebt. Die vorstehenden Teile sind mit gummi
elastischen Material (20) mit einer Shore-Härte von ca. 40
gefüllt oder umgeben, und sie werden dann zu einem 2 cm langen
und 0,6 mm dicken zylindrischen Haltesystem zusammenvulkani
siert. Die Kontaktplatte (26) besitzt hierbei einen Durchmesser
von ca. 6 mm und ist ca. 0,2 mm dick. Sie wird von dem Vulkani
siermaterial (20) leicht übergriffen. Das Material der Kontakt
platte (26) ist versilbertes Kupfer. Die sonstigen Elemente des
Anlege-Temperaturfühler sind wie bei Fig. 1 und 2 angegeben
ausgeführt.
Ein solcher Temperaturfühler zeigte erstaunlicherweise bereits
nach einer Meßzeit von weniger als 30s - handgehalten - die tat
sächliche Oberflächentemperatur mit einer regelmäßigen Genauig
keit von 0,1 K an. - Die anfängliche Temperaturdifferenz zwischen
Kontaktplatte und Objekt war dann durch den Wärmefluß zu minde
stens <98% (bei -35° bis +220°C) ausgeglichen.
Claims (10)
1. Anlege-Temperaturfühler, bestehend aus einer Kontaktplatte
(26) aus wärmeleitendem Material, einem an der Kontakt
platte (26) befestigten Temperaturelement (22) zur Bestim
mung der Temperatur der Kontaktplatte (26) sowie einem aus
lenk- und verkippbaren Haltesystem, um die Kontaktplatte an
die Meßobjekt-Oberfläche (28) bündig anzulegen, dadurch ge
kennzeichnet, daß das Haltesystem im wesentlichen von einem
Formteil aus gummielastischem Material (20) gebildet wird,
um eine elastische Anfederung sowie eine Auslenkbarkeit und
Verkippbarkeit der Kontaktplatte hin zur Meßobjektfläche
(28) zu erhalten.
2. Anlege-Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß das gummielastische Material (20) thermisch
isolierende Eigenschaften aufweist.
3. Anlege-Temperaturfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das gummielastische Material natürli
cher oder künstlicher Kautschuk, vorzugsweise Siliconkau
tschuk, ist und eine Shore-Härte von 20 bis 90, vorzugs
weise von 40 bis 60 besitzt.
4. Anlege-Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß das Haltesystem einen elasti
schen Schlauch (36) aufweist und mindestens eine Kontakt
leitung (18a, 18b) zum Temperaturelement (22) in Kontakt
mit dem Schlauch (36) gewendelt ist.
5. Anlege-Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil aus gummielasti
schem Material (20) beim Zusammenbau der Teile in situ
durch Vulkanisation hergestellt wird.
6. Anlege-Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatte (26) und das
Formteil aus gummielastischem Material (20) durch Vulkani
sation miteinander verbunden sind.
7. Anlege-Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatte (26) aus
einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringer
Wärmekapazität besteht.
8. Anlege-Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Meß
element ein Thermoelement (22), vorzugsweise ein Ni-Cr-Ni-
Thermoelement, ist.
9. Verfahren zum Herstellen eines Anlege-Temperaturfühlers nach
einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Kontaktplatte (26) mit einem Temperaturelement (22),
Kontaktleitungen (18) sowie ggf. weiteren Schlauch-, An
schluß- und Halterungsteilen mit einem vulkanisierbaren
gummielastischem Material (20) zumindest teilweise um
schlossen und durch Vulkanisation zu einem einstückigen
Körper, vorzugsweise zu einem rotationssymmetrischen Kör
per, verbunden werden.
10. Verfahren zum Messen der Oberflächentemperatur eines Objek
tes, insbesondere unter Verwendung einer Vorrichtung nach
einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
eine Kontaktplatte (26) mit einem temperaturempfindlichen
Element (22) über eine Halterung aus gummielastischen
Material (20) an das Meßobjekt (28) gepreßt wird.
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