DE4424384A1 - Temperaturfühler rascher Ansprechzeit - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Temperaturfühler rascher Ansprechzeit mit einem temperaturabhän­ gigen Sensor, der in einer hülsenförmigen Meßspitze im Endbereich eines langgestreckten Schutzrohres angeordnet ist, während das Schutzrohr an seinem anderen Ende eine Öffnung zur Durchführung einer Anschlußleitung für den Sensor aufweist.

Aus der EP-OS 149 416 ist ein Temperatursensor bekannt, welcher in konvexionsarmen Medi­ en eine rasche und genaue Temperaturmessung erlaubt; hierzu sind alle Materialien, die direkt zwischen dem Temperatursensor und dem zu messenden Medium liegen, mit hoher Wärmeleit­ fähigkeit ausgestattet, während die Wärmekapazität möglichst gering sein soll. Alle übrigen Ma­ terialien, die nicht die unmittelbare Trennschicht zwischen Sensor und Medium bilden, sollen möglichst schlechte Wärmeleiter sein, so daß ein unerwünschter Wärmeabfluß in Richtung Hal­ terung möglichst vermieden wird.

Als problematisch erweist sich hierbei der verhältnismäßig aufwendige Aufbau, wobei der Tem­ peratursensor in einer sich konisch verengenden Meßspitze angeordnet ist, die mit einem rohr­ förmigen Griffteil verbunden ist, welches über sein offenes Ende mit einer Öffnung zur Durch­ führung der Zuleitungen für den Sensor versehen ist. Die Herstellung einer sich konisch verjün­ genden Meßspitze zusammen mit dem Verbindungsteil zum rohrförmigen Griff erfordern eine verhältnismäßig aufwendige Herstellung zur Absicherung des Temperatursensors gegen die Umgebungsatmosphäre.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein schnellansprechendes Thermometer anzugeben, das mit verhältnismäßig wenigen einfachen Fertigungsschritten hergestellt werden kann; darüber­ hinaus soll der Wärmeübergangswiderstand und die Wärmekapazität zwischen dem zu mes­ senden Medium und dem Sensorelement verringert werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil ist darin zu sehen, daß aufgrund des mittels flächenhafter Verjüngung erzielten großflächigen Wärmeüberganges von der Außenfläche der Meßspitze zu einem eben­ falls flächenhaften Sensorelement ein hoher Wärmeleitwert zu erzielen ist, wobei gleichzeitig eine geringe Wärmekapazität aufgrund der geringen thermischen Massen zu erzielen ist. Wei­ terhin erweist sich die verhältnismäßig einfache Herstellungsweise als günstig, wie sie insbe­ sondere bei Massenprodukten zwecks Kostenreduzierung gewünscht wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor als Meßwiderstand auf einem plattenför­ migen Substrat ausgebildet, welches in dem flächenhaft verjüngten Ende der Meßspitze einge­ bracht ist; als besonders vorteilhaft erweist sich dabei die verhältnismäßig enge Einpassung des Sensors im Bereich der flächenhaften Verjüngung der Meßspitze, so daß eine hohe Wär­ meleitfähigkeit zwischen Meßspitze und Sensor erzielt wird.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor in einer hochtemperaturbestän­ digen Keramikmasse hoher Wärmeleitfähigkeit im Bereich von 0,5 bis 3 W/mk eingebettet, wor­ aus sich vorteilhafterweise ein geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen Meßspitze und Sensor ergibt.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Temperaturfühlers sind in den Ansprüchen 5 bis 7 angegeben; dabei ist insbesondere der Einsatz einer verhältnismäßig einfach herzustellenden Meßspitze als vorteilhaft anzusehen.

Der Temperaturfühler ist insbesondere für Temperaturen in einem Meßbereich von -40 bis 1000°C geeignet.

Im folgenden ist der Gegenstand der Erfindung anhand des in der Figur dargestellten schemati­ schen Längsschnitts durch den Temperaturfühler näher erläutert.

Das im Längsschnitt dargestellte Schutzrohr 1 besteht aus einem hohlzylindrischen Mantel 2, der an seinem oberen Ende 3 eine Öffnung aufweist und an seinem unterem Ende 4 mittels Meßspitze 5 verschlossen ist, welche mit dem hohlzylindrischen Mantel 2 durch Sickung oder Verschweißung verbunden ist; die Schweißnaht ist hier symbolisch angedeutet und mit Bezugs­ ziffer 6 versehen.

Die Meßspitze 5 weist einen flächenhaft zusammengequetschten Bereich 7 auf, der einen ebenfalls flächenhaft bzw. plattenförmig ausgestalteten Temperatur-Sensor 9 enthält, wobei der Temperatur-Sensor 9 in eine wärmeleitende Keramikmasse 8 eingebettet ist und Meßspitze 5 mit der wärmeleitenden Keramikmasse 8 bis an ihr oberes Ende angefüllt ist. Der flächig ge­ quetschte Bereich 7 der Meßspitze 5 umgibt den flächenhaften Sensor 9, der beispielsweise als Platin-Dünnschichtwiderstand auf einem Keramiksubstrat ausgestaltet sein kann, wie er bei­ spielsweise aus der DE-PS 25 27 739 bzw. US-PS 4,050,052 bekannt ist; die von einer Faser­ schlauchisolierung umgebenen Meßanschlußleitungen 10 und 11 des Sensors sind durch die Keramikmasse 8 in den hohlzylindrischen Teil des Mantels 2 geführt und werden am oberen Ende 3 nach außen über das Anschlußkabel 12 abgeführt. Der hohlzylindrische Mantel 2 ist weiterhin von einem Anschlagbund 14 umgeben, welcher eine exakte Positionierung der Meß­ spitze 5 ermöglicht.

Zur Herstellung wird die Meßspitze 5 als separates hülsenförmiges Teil zunächst durch einen äußeren Preßvorgang so gequetscht, daß die Meßspitze 5 eine flächenhafte Quetschung auf­ weist, die in ihrer Kontur dem einzubringenden flächenhaften Sensor 9 angepaßt ist und mit dem hohlzylindrischen Mantel 2 im Bereich seines unteren Endes 4 verschweißt wird. Nachdem das Schutzrohr 1 seine weitgehend komplette Form angenommen hat, wird entlang der Schutz­ rohrachse 13, Sensor 9 vom oberen Ende 3 so eingeführt, daß er von der gequetschten Meß­ spitze 5 und der danach einzubringenden Keramikmasse 8 umgeben wird. Gleichzeitig werden die Meßanschlüsse 10, 11 des Sensors aus dem oberen Ende 3 herausgeführt und mit dem Anschlußkabel 12 verbunden.

Als Sensor wird vorzugsweise ein Meßwiderstand auf Platinbasis eingesetzt, dessen platten­ förmiges Substrat aus Keramik besteht. Die Meßspitze 5 ist mit einer hochtemperaturbeständi­ gen Keramikmasse gefüllt, wobei der Wärmeleitwert im Bereich von 0,5 bis 3 W/mK liegt. Als Keramikmasse wird Material auf der Basis von Polysilikaten eingesetzt. Das Schutzrohr 1 und die Meßspitze 5 bestehen aus einem hochtemperaturbeständigem Metall, vorzugsweise aus einer Nickellegierung (Inconel®). An seinem oberen Ende 3 ist das Schutzrohr 1 mit umlaufen­ den Sicken 15 versehen, welche zur Halterung des Anschlußkabels 12 dienen. Zur äußeren Abdichtung der Meßstelle ist ein Anschlagbund 14 vorgesehen, welcher konzentrisch das Schutzrohr 1 umgibt.

Zur Herstellung der Meßspitze wird ein hohlzylindes Teil in Form einer Hülse aus hochtempera­ turbeständigem Metall, vorzugsweise aus einer Nickellegierung in seinem unteren Teil zusam­ mengequetscht, wobei der lichte Innenraum etwas weiter ist, als die Dicke des zur späteren Einbringung vorgesehenen Sensorelements. Die Oberkante des weiterhin hohlzylindrisch aus­ gebildeten Teils 18 der Hülse bzw. Meßspitze wird mittels Schweißnaht 6 mit dem unteren En­ de 4 des hohlzylindrischen Mantels 2 durch Verschweißen verbunden. Vor dem Einbringen des Sensorelements 9 und seiner Zuleitungen 10 und 11 wird der Innenraum 18 der Meßspitze 5 mit Keramikmasse hoher Wärmeleitung gefüllt, um eine rasche Wärmeübertragung aus dem Außenraum des flach gequetschten Bereichs 7 der Meßspitze zum Sensorelement 9 zu ermöglichen.

Es ist weiterhin möglich, als Meßspitze 9 ein langgestrecktes kappenförmiges Teil einzusetzen, das an dem der Messung zugewandten Ende verschlossen ist und zur Aufnahme des Meßwi­ derstandes eine flächenhafte bzw. keilförmig ausgebildete Verjüngung aufweist; das als Meß­ spitze dienende kappenförmige Teil wird durch Tiefziehen hergestellt.

Claims (7)

1. Temperaturfühler rascher Ansprechzeit mit einem temperaturabhängigen Sensor, der in einer hülsenförmigen Meßspitze im Endbereich eines langgestreckten Schutzrohres an­ geordnet ist, während das Schutzrohr an seinem anderen Ende eine Öffnung zur Durch­ führung einer Anschlußleitung für den Sensor aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspitze (5) in ihrem der Messung zugewandten Ende eine flächenhafte Verjüngung aufweist.

2. Temperaturfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) ein flä­ chenhaft ausgebildetes Substrat aufweist.

3. Temperaturfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (9) in einer hochtemperaturbeständigen Keramikmasse (8) eingebettet ist.

4. Temperaturfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Keramikmasse (8) einen Wärmeleitwert im Bereich von 0,5 bis 3 W/mK aufweist.

5. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspitze (9) aus einem langgestreckten hülsenförmigen Teil besteht, das an dem der Messung zugewandten Ende flächenhaft zusammengequetscht ist und an seinem äuße­ ren Ende einen Spalt aufweist, der durch Schweißen verschlossen ist.

6. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspitze (9) aus einem langgestreckten kappenförmigen Teil besteht, das tiefgezogen ist und an dem der Messung zugewandten Ende verschlossen ist.

7. Temperaturfühler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßspitze (5) aus einer Nickellegierung besteht.