DE4244189C2 - Anlegetemperaturfühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Anlegetemperaturfühler zur Bestimmung der Oberflächentemperatur eines Meßobjekts, der gattungsgemäß (i) ein Fühlerelement mit einer Kontaktplatte aus wärmeleitendem Material und einem daran befestigten tem­ peraturempfindlichen Element und (ii) ein längliches Halte­ rungssystem aus wärmeisolierendem Material, das das Fühler­ element verkippbar und zur Längsachse des Halterungssystems elastisch nachgebend hält, aufweist.

Ein derartiger Temperaturfühler ist im deutschen Ge­ brauchsmuster 19 35 236 beschrieben. Nachteilig ist, daß dessen Halterungssystem keine genaue Kontrolle darüber erlaubt, wie fest die Kontaktplatte an die abzutastende Fläche angepreßt wird. Ferner treten Seitenschubkräfte auf, wenn die Kontakt­ platte an eine schiefe Meßfläche angepreßt wird. Da die Ober­ fläche der Kontaktplatte bevorzugt glatt ist, um dicht an eine ebene Fläche angepreßt werden zu können, besteht beim Anlegen die Gefahr, daß sich die Kontaktplatte gegenüber der Meßfläche verschiebt. Das Halterungssystem ist starr gebaut, da sonst die notwendigen Führungskräfte nicht an das Anlegeteil angebracht werden können. Das Anlegeteil wird zwar von zwei gummielastischen Stützarmen gehalten und ist verkippbar, das Malte­ rungssystem erlaubt aber keine seitliche Auslenkung und kann sich nicht biegen. Schieflagen der Meßfläche von mehr als 10 Grad sind daher nicht zu bewältigen. Zudem ist der Anlege­ fühler für Handmessungen schlecht geeignet, da die seitlichen Stützarme eine Sichtkontrolle, ob die Kontaktplatte bündig anliegt, nicht zulassen. Des weiteren werden die Meßwerte oft durch die Stützarme, die neben der Meßfläche aufliegen, verfälscht, da diese den Wärmefluß auf die Kontaktplatte vermindern bzw. stören können.

Aus der DE 30 38 956 A1 ist ein Anlegetemperaturfühler für Rohrleitungen bekannt. Das temperaturempfindliche Element befindet sich hierbei in einem Kontaktteil mit verschieden gekrümmten Außenwänden. Je nach Form des Objekts wird eine entsprechende gekrümmte Außenwand gewählt und zusammen mit dem Fühler an das Meßobjekt angeklemmt. Nachteilig ist hierbei, daß der Anlegefühler nicht auf unterschiedliche Oberflächen paßt, keine punktgenauen Messungen zuläßt und lange Meßzeiten verlangt.

DE 40 39 339 A1 beschreibt einen Anlegetemperaturfühler, bei dem eine plane Kontaktplatte mit einem Meßelement durch Unterdruck bündig an die Objektoberfläche angesaugt wird. Die Kontaktplatte ist Teil eines verschieblichen Sensor- und Dichtungseinsatzes, der sich auch geringfügig verkippen läßt. Dadurch wird ein besseres Anliegen der Kontaktplatte am Objekt erreicht als durch Anklemmen, Anschrauben, Anfedern oder mit Magneten. Der technische Aufwand für die Unterdruckeinrichtung ist jedoch erheblich.

Die DE 40 39 336 A1 offenbart einen Temperaturmeßkopf für ein Koordinatenmeßgerät. Der als Anlegetemperaturfühler ausgebildete Meßkopf dient zur schnellen Werkstücks-Temperatur­ messung. Er besteht aus einer gehäusefesten Hülse und einem federbeweglich auslenkbaren Teil, an dessen unterem Ende ein Kugelgelenk eine zweite Knickstelle bildet. Das Kugelgelenk enthält einen Sensoreinsatz mit einer planen Kontaktplatte und dem temperaturempfindlichen Meßelement. Die zweite Knick­ stelle im Meßkopfsystem soll ein flächiges Anliegen der Kon­ taktplatte an der Meßobjekt-Oberfläche gewährleisten. Durch die zusätzliche Kugelgelenk-Knickstelle sind Schräglagen der Werkstück-Oberfläche zur Achse des Meßkopfsystems von bis zu 10 Grad ausgleichbar. Nachteilig ist jedoch, daß die zu­ zuätzliche Kugelgelenk-Knickstelle technisch aufwendig ist und schnell schwergängig wird.

Der Grund für die Unzuverlässigkeit und die mangelnde Meßgenauigkeit bei Handgeräten ist unklar. Vermutlich wird der bei Handgeräten die Kontaktplatte beim Messen nicht bündig genug an die Objektfläche angelegt. Einerseits darf nämlich die Kontaktplatte nicht zu klein bemessen sein, da sonst kleinste Verschmutzungen oder Ablagerungen bereits den Wärme­ fluß auf die Kontaktfläche übermäßig beeinträchtigen können. Auch entfällt dann die Sichtkontrolle, ob die Kontaktplatte am Objekt bündig anliegt oder verkippt ist. Kleine Kontakt­ platten sind ferner mechanisch wenig stabil, und sie verbiegen leicht, da das Anlegen oft mit relativ hohem Anpreßdruck er­ folgt. Handgeräte mit kleiner Kontaktplatte sind daher nur im Neuzustand genau und nicht alltagstauglich.

Ist anderseits die Kontaktplatte vergleichsweise groß ausgebildet, so kann keine punktförmige Messung mehr erfolgen. Auch dauern die Messungen wegen der größeren Wärmekapazität der Platte länger. Nachteilig bei großen Kontaktplatten ist auch, daß ihnen oft keine genügend großen planen Flächen am Objekt gegenüberstehen. Es besteht daher die Vorgabe, daß die Kontaktplatte des Anlegetemperaturfühlers etwa Bleistift­ dicke, zwischen 0,2 und 1,2 cm Kreisdurchmesser, haben soll.

Bei derartigen Handgeräten ist aber zu beobachten, daß sie nicht zu genauen Meßwerten führen, selbst wenn sie wie vorstehend zum bündigen Anlegen der Kontaktplatte mit ein oder mehreren Gelenken versehen sind. Dies ist zum Teil darauf zurückzuführen, daß im notwendigen Meßzeitraum von ca. 5 bis 30 Sekunden die Hand wegen der ständigen Körperbewegungen nicht ruhig gehalten werden kann oder zu zittern beginnt. Dadurch kommt es laufend zu kleinen Verkippungen der Kontakt­ platte, 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 Anlegetemperaturfühler zur Verfügung zu stellen, der die vorstehend genannten Nach­ teile des Standes der Technik überwindet. Insbesondere soll der Anlegefühler (i) Schräglagen der Meßoberfläche zur Achse des länglichen Halterungssystems von 10° und mehr ausgleichen können und das Halterungssystem dabei eine ortsfeste Anlage der Kontaktplatte erlauben, (ii) sich insbesondere für Mes­ sungen von Hand eignen und (iii) mechanisch stabil, verschmut­ zungsunempfindlich und kostengünstig herstellbar sein.

Diese Aufgabe wird durch einen Anlegetemperaturfühler mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausfüh­ rungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den Beispielen.

Die erfindungsgemäße Konstruktion des Halterungssystems erlaubt ein besseres bündiges Anlegen der Kontaktplatte an die Meßobjekt-Oberfläche. Die Zitterbewegungen der Hand werden durch das gummieleastische Malterungsstück ideal ausgeglichen, so daß es nach dem Anlegen zu keinem Mikroverkippen der Kon­ taktplatte mehr kommt. Auch eine geringe Wegbewegung der Hand von der Objektfläche wird durch die gummielastische Anfederung in gewissem Umfang kompensiert, genauso wie ein leichtes Zit­ tern der Auflagefläche.

Die erfindungsgemäße Konstruktion erlaubt ferner ein punktgenaueres Messen bei schiefer Auflagefläche, wobei der Kippwinkel bis zu 10° und mehr betragen kann. Bei mechanisch starren Gelenkkonstruktionen bedeutet eine Auslenkung zugleich auch ein seitliches Versetzen der Kontaktplatte aus der Symme­ trieachse der Vorrichtung. Dem gegenüber kommt es bei einer gummielastischen Halterung zu einer Kompression an einer Seite. Dadurch 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 bestimm­ ten Maximalkraft an die Objektoberfläche gepreßt werden. Ferner reguliert sich der Anpreßdruck in gewissen Umfang selbstständig über den Dehnungs- bzw. Kompressionsmodul der Gummihalterung, so daß die Kontaktplatte jedesmal mit ähnlichem Druck an das Objekt gepreßt wird. Die Messungen werden somit reproduzier­ barer.

Ferner sind gummielastische Materialien gut wärmeisolie­ rend, so daß der Wärmeabfluß von der Kontaktplatte auf ein Minimum beschränkt ist. Die nachstehend gezeigte gummielasti­ sche Halterung läßt sich auch vergleichsweise einfach herstel­ len; sie ist weitgehend verschleißfrei und verschmutzungsun­ empfindlicher als mechanische Gelenke. Es besteht somit ein erheblicher praktischer und wirtschaftlicher Vorteil gegenüber herkömmlichen Halterungen.

In der allgemeinen Ausführungsform besteht der Anlegetemp­ eraturfühler aus einer im wesentlichen planen Kontaktplatte, die vorzugsweise rund oder oval ist, aber ggf. auch - für besondere Anwendungsformen - konkav oder konvex gekrümmt sein kann. Die Kontaktplatte besteht vorzugsweise aus einem gut wärmeleitenden Material geringer Wärmekapazität, wie Kupfer oder Aluminium. Die Kontaktplatte kann zur Verminderung der Wärmeabstrahlung und zur Verbesserung des Kontaktes, d. h. für eine bessere Wärmeleitung vom Objekt auf die Kontaktplatte, verersilbert 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 eines auslenk- und verkippbaren Halterungssystems befestigt. Die erfindungs­ gemäße Haltevorrichtung besteht aus einem gummielastischen, thermisch isolierenden Material, vorzugsweise aus Silicon­ kautschuk 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 Handhalterung 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 Ver­ biegbarkeit 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 Temperaturmeßbereichs 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 Verbin­ dung ineinandergreifen.

In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Halterung ein Schlauch, der im Inneren mit einem thermisch isolierenden elastischen Gummimaterial, insbesondere mit Siliconkautschuk, gefüllt ist. Dies soll einerseits den Halteschlauch versteifen und ihn gegen ein Einknicken bei mittlerem Anpreßdruck 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, bei dem in nicht zu großen Temperaturintervallen die Thermospannung proportional zur Temperaturdifferenz ist, wie z. B. bei den Kombinationen Fe- Konstantan oder Cu-Konstantan. Besonders bevorzugt ist ein Ni-Cr-Ni-Thermoelement. Das Temperaturelement kann auch ein Halbleiterfühlelement, insbesondere ein Siliciumfühlelement sein, oder ein Metallfilmfühlelement. Die Temperatur der Kon­ taktplatte kann ferner durch temperaturempfindliche Meßwider­ stände bestimmt werden. Das temperaturempfindliche Element ist vorzugsweise mit einem Wärmeleitkleber an der Kontaktplatte befestigt.

Die metallischen Kontaktleitungen zum Meßelement im Schlauch sind gewendelt, so daß der Temperaturgradient in Richtung der Haltevorrichtung flacher ist. Dadurch wird der Wärmeabfluß von der Kontaktplatte über die metallischen Kontaktleitungen 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 Erfin­ dung 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 Innen­ leitung 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 Anlegetemperaturfühlers im Schnitt;

Fig. 2 einen Anlegetemperaturfühler (Außenschlauchform) im Schnitt auf einer verkippten Meßobjektfläche;

Fig. 3 einen Anlegetemperaturfühler mit Innenschlauch.

Die Fig. 1 zeigt einen Anlege-Temperaturfühler 10, beste­ hend aus einem gummielastischen Kautschukmaterial 20 in Zylin­ derform und einer an die Stirnfläche des Zylinders anvulkani­ sierten Kontaktplatte 26 mit Halterungs- oder Widerhaken 24, so daß das gummielastische Haltesystem und die Kontaktplatte 26 zur festen Verbindung ineinander eingreifen. Die Kontakt­ platte 26 steht ein wenig aus dem gummielastischen Kautschuk­ material 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 Zuleitungen 18 führen zu einem elektrischen Anschlußstück 16 im Halterungs­ element 14. Das Halterungssystem aus dem Kautschukmaterial 20 ist 2 bis 4 cm, vorzugsweise ca. 2 cm lang; der Durchmesser des Zylinders beträgt ca. 6 mm. Die elektrischen Temperatur­ signale des Thermoelements werden schließlich in einer Aus­ werteeinheit 12 erfaßt und direkt in Temperaturwerte umgewan­ delt; oder es wird aus der zeitlichen Änderung der Fühlertempe­ ratur sowie material- und kontaktspezifischen Konstanten die Oberflächentemperatur des Meßobjekts extrapoliert. Die gesamte Anordnung ist vorzugsweise um eine Achse 30 symmetrisch, um so jeder räumlichen Präferenz im Hinblick bspw. auf die Kipp­ neigung oder den Temperaturfluß zu begegnen.

Fig. 2 zeigt einen Anlegetemperatur­ fühler, dessen Kontaktplatte 26 an einer bspw. um 5° verkippten Oberfläche 28 angelegt ist. Bei dieser Ausführungsform ist die Kontaktplatte 26 an das vordere Ende eines Halteschlauches 32 befestigt. Der Innenraum des Halteschlauches 32 ist mit einem gummielastischen und wärmeisolierenden Kautschukmaterial 20 gefüllt. Durch geeignete Wahl des gummielastischen 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 Innenschlauches 36 geführt. Die Außenzuleitung 18b ist auf den Innenschlauch aufgeklebt. Die vorstehenden Teile sind mit gummielastischen 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 zusammenvulkanisiert. Die Kontaktplatte 26 besitzt hierbei einen Durchmesser von ca. 6 mm und ist ca. 0,2 mm dick. Sie wird von dem Vulkanisier­ material 20 leicht übergriffen. Das Material der Kontaktplatte 26 ist versilbertes Kupfer. Die sonstigen Elemente des Anlege­ temperaturfühler sind, wie bei Fig. 1 und 2 angegeben, ausge­ führt.

Ein solcher Temperaturfühler zeigte erstaunlicherweise bereits nach einer Meßzeit von weniger als 30s - handgehalten - die tatsächliche Oberflächentemperatur mit einer regelmäßigen Genauigkeit von 0,1 K an. Die anfängliche Temperaturdifferenz zwischen Kontaktplatte und Objekt war dann durch den Wärmefluß zu mindestens <98% (bei -35° bis +220°C) ausgeglichen.

Claims (7)

1. Anlegetemperaturfühler, beinhaltend
ein Fühlerelement mit einer Kontaktplatte aus wärmeleitendem Material und einem daran befestigten temperaturempfindlichen Element, und
ein längliches Halterungssystem aus wärmeisolierendem Material, das das Fühlerelement verkippbar und zur Längs­ achse des Halterungssystems elastisch nachgebend hält,
dadurch gekennzeichnet, daß das längliche Halterungs­ system im wesentlichen ein Formteil aus gummielastischem Material mit einer Shore-Härte von 20 bis 90 ohne starre Längselemente ist, so daß eine elastische Anfederung der Kontaktplatte (26) an die Meßfläche, eine seitliche Auslenkbar­ keit des länglichen Halterungssystems und eine Biegbarkeit des Form­ teils zur Meßfläche sowie ein Verkippen der Kontaktplatte (26) zur Längsachse (30) des Halterungssystems möglich sind.

2. Anlegetemperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das gummielastische Material natürlicher oder künstlicher Kautschuk, vorzugsweiser Siliconkaut­ schuk, ist und eine Shore-Härte von 40 bis 60 besitzt.

3. Anlegetemperaturfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Halterungssystem einen elastischen Innenschlauch (36) aufweist und mindestens eine Kontakt­ leitung (18a, 18b) zum temperaturempfindlichen Element (22) in Kontakt mit dem Innenschlauch (36) gewickelt ist.

4. Anlegetemperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil aus gummi­ elastischem Material (20) beim Zusammmenbau der Teile in situ durch Vulkanisation hergestellt wurde.

5. Anlegetemperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatte (26) und das Formteil aus gummielastischem Material (20) durch Vulkanisation miteinander verbunden sind.

6. Anlegetemperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktplatte (26) aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und ge­ ringer Wärmekapazität besteht.

7. Anlegetemperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das temperaturempfindliche Meßelement ein Thermoelement (22), vorzugsweise ein Ni-Cr- Ni-Thermoelement, ist.