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Vorrichtung zum Messen der Temperatur einer Oberfläche
Die Erfindung
bezieht sich auf das Messen der Temperaturen von Oberflächen und insbesondere auf
das Messen der Temperatur von sich bewegenden Oberflächen. Ein Merkmal der Erfindung
besteht darin, eine wirksame und zuverlässige Temperafurmeßvorrichtung zu liefern,
welche geeignet ist, an eine Oberfläche angelegt zu werden, deren Temperatur bestimmt
werden soll.
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Die Verwendung von Temperaturmeßvorrichtungen, wie Thermometern undThermoelementen,
ist allgemein bekannt, jedoch sind die Ungenauigkeiten, welche bei der Verwendung
derartiger Instrumente für die Temperaturmessung von Oberflächen auftreten, auch
beträchtlich, weil im Falle der Verwendung eines Thermometers nur die kleine Oberfläche
des wärmeempfindlichen Elements mit der zu messenden Oberfläche in Berührung kommt
und dabei eine geringe Wärmeübertragung stattfindet. Die Verwendung der üblichen
Thermoelemente selbst bei denjenigen, bei denen das wärmeempfindliche Element dazu
verwendet wird, mit Oberflächen in Berührung zu kommen, besitzt eine Anzahl von
Nachteilen, insbesondere wenn die Temperatur von sich bewegenden Oberflächen gemessen
werden soll. Unter diesen Schwierigkeiten sei beispielsweise diejenige genannt,
welche bei der Sicherstellung einer innigen Berührung zwischen dem wärmeempfindlichen
Element und der Oberfläche auftritt, insbesondere in den Fällen, wo die Oberfläche
nicht ganz glatt ist, wie es beispielsweise bei vielen Textilien der Fall ist.
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Es kommt noch hinzu, daß diese gebräuchlichen Typen von Berührungselementen
einen verhältnismäßig großen Wärmeverlust an ihre Umgebung zur Folge haben. Wenn
die Oberfläche, deren Temperatur gemessen werden soll, sich bewegt, bestehen weitere
Nachteile
darin, daß erstens zwischen der sich bewegenden Oberfläche und dem Thermoelement
eine Reibungswärme entsteht, die den Anlaß zu Fehlresultaten gibt, und zweitens,
daß derartige Oberflächen, wenn sie empfindlich sind, d. h. beispielsweise diejenigen
von warmen, thermoplastischen - Stoffen, leicht durch die Reibungsberührung des
Thermoelementes beschädigt werden.
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Die Erfindung schlägt nunmehr eine Einrichtung zum Messen der Temperatur
von Oberflächen und insbesondere von sich bewegenden Oberflächen vor, wodurch die
Nachteile der üblichen Verfahren überwunden bzw. verringert werden. Gemäß der Erfindung
wird eine frei fließende' Oberfläche geliefert, welche mit der Oberfläche, deren
Temperatur gemessen werden soll, in Berührung kommt, und der Flüssigkeitskörper
wird dazu verwendet, die Wärme von der zu messenden Oberfläche auf das wärmeempfindliche
Element eines die Wärme messenden Instruments zu übertragen.
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Insbesondere wird ein Quecksilberkörper dazu verwendet, als wärmeleitende
Flüssigkeit zu dienen, dieser umgibt einen weiteren Quecksilberkörper oder eine
andere Flüssigkeit und bzw. oder stellt mit dieser einen guten Wärmekontakt her,
wobei dieser Flüssigkeitskörper sich in ein Kapillarrohr ausdehnen kann, an dem
die Temperatur mit Bezug auf eine kalibrierte Skala abgelesen werden kann, oder
aber auch dieser Flüssigkeitskörper steht mit der Kugel eines Quecksilberglasthermometers
oder einem anderen Thermometer in Berührung oder mit der Schweißstelle eines Thermoelements.
Vorzugsweise wird mit Hilfe einer einschließenden Zelle oder von einschließenden
Zellen der Atmosphärendruck zunutze gemacht, indem die Adhäsionskraft, des Quecksilbers
an den Zellenwandungen und die Oberflächenspannung des Quecksilbers -ein Oberflächenkontahtelement
liefern, an das die Temperaturanzeigevorrichtung angelegt oder eingetaucht werden
kann, wobei dieses Element eine freie Quecksilberoberfläche liefert, die bei jeder
Stellung der Vorrichtung in stabilem Gleichgewicht bleibt. Durch Verwendung einer
solchen Kontaktflüssigkeit wird eine innigereBer(ihrung mit der Oberfläche hergestellt,
deren Temperatur gemessen werden soll, als es der Fall ist, wenn eine direkte Berührung
mit einem normalen festen, wärmeempfindlichen Element stattfindet, da die flüssige
Bertihrungsoberfläche sich im wesentlichen den Unregelmäßigkeiten der zu messenden
Oberfläche anpaßt, und aus diesem Grunde besteht auch eine geringere Gefahr, daß
eine Markierung oder Beschädigung einer empfindlichen Oberfläche auftritt. Weiterhin
wird die Reibungswärme, welche zwischen der Flüssigkeit und der Oberfläche auftritt,
mit der diese in Berührung steht, auf ein Mindestmaß verringert, und die Wärmekapazität
der wärmeempfindlichen Einrichtung ist andererseits gering im Verhältnis zu der
Oberfläche der Berührungsfläche, während andererseits die Wärmeleitfähigkeit der
Einrichtung hoch ist und auf diese Weise eine genaue Temperaturanzeigung mit einer
minimalen Ansprechzeit möglich ist.
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Bei Verwendung des Oberflächenberührungselements, wie es oben beschrieben
ist, wird der Bereich der Temperaturmeßmöglichkeit lediglich durch die Gefrier-
und Siedepunkte des Quecksilberr beschränkt und durch die Wärmeeigenschaften der
Membran oder der Membranen der Zellen. Wenn mit Wärmeausdehnungsinstrumenten gearbeitet
wird, können verschiedene Temperaturbereiche gemessen werden, wenn geeignete Thermometer
oder geeignete Temperaturanzeigungsflüssigkeiten und Skalen verwendet werden.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird die Kugel eines üblichen
Quecksilberglasthermometers von einem Material umgeben und von diesem vakuumdicht
eingeschlossen, das sich durch eine geringe Wärmeleitfähigkeit auszeichnet, das
einen hohen Deformationswiderstand durch die Wärme in dem Temperaturbereich besitzt,
bei dem die Vorrichtung arbeitet, und das mit Quecksilber nicht amalgamiert.
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Beispiele derartiger Materialien sind: Kunststoffe, z. B.
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Superpolyamidpolymere, Polystyrol- oder Methylmethacrylatpolymere,
Glas, keramische Stoffe oder Kohlenstoff. Die Gesamtabmessungen des Gehäuses sind
nicht von Bedeutung, es ist aber wünschenswert, daß es so groß ist, daß es genügend
Material enthält, um eine Wärmeisolierung für die Kugel des Thermometers und für
Quecksilberzellen zu liefern, welche innerhalb des Gehäuses angeordnet sind, um
zu bewirken, daß das in den Zellen enthaltene Quecksilber die Thermometerkugel berührt.
Das Gehäuse sollte ausreichend groß sein, um die Unterbringung einer ausreichenden
Anzahl von Zellen zu ermöglichen und so eine brauchbare Quecksilberoberfläche zu
schaffen, die an der Berührungsoberfläche zur Verfügung steht; dabei sollte sie
jedoch gleichzeitig nicht größer sein, als es mit einer brauchbaren geringen Wärmeabsorption
verträglich ist. Die Gestalt des Gehäuses ist ebenfalls nicht von Bedeutung, jedoch
ist es wünschenswert, daß es eine Fläche besitzt, die sich im wesentlichen der Oberfläche
der zu berührenden Fläche anpaßt, s<wIaß die austretende Quecksilberoberfläche
auf diese Fläche begrenzt wird und gleichzeitig eine Berührungsfläche geliefert
wird, die so groß wie möglich ist. Durch diese Fläche hindurch ist eine Anzahl von
honigwabenartigen Zellen in dem Gehäuse derart angeordnet, daß sie sich längs durch
das Gehäuse erstrecken, und zwar wird entweder die Wandung der Zellen in einem gewissen
Ausmaß durch die Kugel des Thermometers gebildet, und diese Ausnehmung endet innerhalb
des Gehäuses, oder die Zelle wird in ihrer Länge durch die Thermometerkugel begrenzt.
Die bevorzugte Zellenform ist diejenige eines Zylinders mit einer kreis- oder vieleckigen
Grundfläche, und die bevorzugte Anordnung einer jeden Zelle ist normal mit Bezug
auf die mittlere Kontaktoberfläche.
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Es wurde in der Praxis gefunden, daß die minimale Länge einer jeden
Zelle eine Quecksilbersäule hält, die etwa gleich dem Durchmesser der Zelle ist
oder der größten Diagonale entspricht, wenn die Zelle mehreckigen Querschnitt besitzt.
Die minimale Länge ändert sich jedoch etwas insofern, als, wenn die Zelle derart
ausgebildet ist, daß sie die Form eines regelmäßigen Zylinders und das Ende halbkugelförmige
Gestalt besitzt, in diesem Falle die zulässige Länge der Länge des Durchmessers
für den zylindrischen Teil entspricht und der Radius des Endes gleich der Hälfte
dieser Länge sein kann. Verschieden geformte Zellen
besitzen also
etwas verschiedene minimale Längen. Es hat sich herausgestellt, daß der maximale
Durchmesser der Zellen etwa 3,3 mm beträgt, jedoch kann sich dieser Wert auch für
verschieden geformte Zellen etwas ändern.
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Jede dieser Zellen wird mit Quecksilber gefüllt. Es wurde gefunden,
daß die so gebildete Quecksilbersäule innerhalb der Zelle bei allen Lagen der Vorrichtung
im Gleichgewicht bleibt. Weiterhin ist der freiliegende Quecksilbermeniskus infolge
der Größe und Ausbildung der Zelle in allen Lagen stabil. Die Zusammenfassung der
verschiedenen Menisken liefert eine freie Quecksilberoberfläche, welche mit der
Oberfläche in Berührung tritt, deren Temperatur gemessen werden soll.
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Die Anzahl und die Länge der Zellen und infolgedessen das Quecksilbervolumen
sind derart, daß für den Kontakt eine Berührungsoberfläche geliefert wird, die so
groß ist, wie mit einer geringen Wärmekapazität verträglich ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird in der gleichen
Weise, wie beschrieben, ein Aufnahmebehälter geliefert, bei dem jedoch die Quecksilberoberflächenberührungszellen
einen Quecksilberkörper oder einen solchen einer anderen Flüssigkeit umgeben, jedoch
von diesem abgeschlossen sind. Dieser zweite Quecksilberkörper oder der Körper aus
einer anderen Flüssigkeit ist in einer entsprechend geformten Kammer enthalten,
welche einen Auslaß in Form eines Kapillarrohres besitzt. Dieses Rohr ist über einen
gewissen Temperaturbereich kalibriert, und bei der Verwendung dieser Einrichtung
wird die Temperatur der zu messenden Oberfläche durch die Ausdehnung des Quecksilbers
oder der anderen Flüssigkeit angezeigt, welche in dem Kapillarrohr enthalten ist.
Es ist einleuchtend, daß zwischen der erstgenannten und der letztgenannten Form
der Apparatur ein Unterschied lediglich hinsichtlich der Temperaturanzeigevorrichtung
besteht. Bei der erstgenannten Form ist ein Thermometer in dem Gehäuse versiegelt,
und bei der zweiten Ausführungsform ist, obwohl dasselbe Prinzip angewandt wird,
die Thermometerkugel in dem eigentlichen Gehäuse enthalten, so daß die Berührungs-
und die Anzeigevorrichtung eine Einheit bilden und so den luftdichten Abschluß der
Zellen sicherstellen, ohne daß ein weiter Verschluß erforderlich wäre. Hierdurch
wird eine Anordnung der Zellen ermöglicht, die eine bessere Wärmeübertragung zwischen
der Berührungsoberfläche und der Schweißstelle des Thermoelements sicherstellen.
Wenn die Thermoelementschweißstelle mit Quecksilber amalgamierbar ist, kann sie
gegen Einwirkung des Quecksilbers durch einen entsprechenden Schutzstoff geschützt
werden, der zweckmäßig eine gute Wärmeleitfähigkeit und eine geringe Wärmekapazität
besitzt.
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In den Zeichnungen sind verschiedene Ausführungsformen der Erfindung
schematisch und nicht maßstäblich dargestellt.
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Fig. I zeigt einen Grundriß von unten einer Vorrichtung, bei der
die Quecksilberzellen senkrecht zu einer Thermometerkugel angeordnet sind; Fig.
2 zeigt einen Querschnitt auf der Linie 2-2 der Fig. I; Fig. 3 zeigt einen Längsquerschnitt
einer Ausführungsform der Erfindung an, bei der ein Quecksilberkörper oder ein solcher
einer anderen Flüssigkeit innerhalb des Gehäuses enthalten ist und getrennt von
den.berührenden Quecksilberzellen, wobei sich dieser Quecksilberkörper in ein kalibriertes
Kapillarrohr hinein ausdehnen kann; dabei sind einige der Quecksilberberührungszellen
in ihrer Längen ausdehnung derart ausgebildet, daß sie um denTemperaturanzeigungskörper
aus Quecksilber oder aus einer anderen Flüssigkeit herum passen, um so die größtmögliche
Wärmeübertragung zu dem Quecksilberkörper oder dem auf einer anderen Flüssigkeit
zu liefern; Fig. 4 zeigt einen Querschnitt auf der Linie 3-3 der Fig.2; Fig. 5 ist
ein Längsquerschnitt einer Ausführungsform der Erfindung, wobei die Berührungszellen
und die Temperaturanzeigeflüssigkeit in ähnlicher Weise angeordnet sind wie bei
der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform, wobei jedoch das Zellengehäuse aus
einem nicht amalgamierbaren wärmeleitenden Material besteht und wobei das Zellengehäuse
von einem wärmeisolierenden Material umgeben ist, mit Ausnahme jedoch der Berührungsflächen;
Fig. 6 zeigt einen Längsquerschnitt einer Ausführungsform, bei der die Schweißstelle
eines Thermoelements in eine Quecksilbersäule taucht; Fig. 7 zeigt einen Längsquerschnitt
durch eine Ausführungsform der Erfindung, bei der eine Thermoelementverbindung verschweißt
oder in anderer Weise verbunden ist mit einer Ausfütterung an der Innenseite der
Quecksilberzelle; Fig. 8 zeigt einen Querschnitt auf der Linie 4-4 der Fig. 7.
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Bei der in den Fig. I und 2 dargestellten Ausführungsform ist die
Kugel 20 eines Quecksilberglasthermometers in einem Polystyrolgehäuse 21 eingeschlossen
und am Hals 26 der Kugel vakuumdicht abgeschlossen. Die äußere Form des Gehäuses
2I ist teilweise zylindrisch mit einer seitlichen Querschnittsform entlang seiner
ganzen Länge, welche das Hauptelement eines Kreises einschließt, dessen Mittelpunkt
mit dem Mittelpunkt des Kreises zusammenfällt, welcher im Querschnitt der Thermometerkugel
liegt. Die Grundfläche wird durch eine Sehne solcher Segmente gebildet, welche die
Berührungsoberfläche der Vorrichtung bilden, auf die in der Darstellung der Fig.
I geblickt wird. Durch die ebene Fläche des Gehäuses erstrecken sich drei Reihen
kreisförmiger zylindrischer Zellen, von denen jede etwa 2,5 mm Durchmesser besitzt
und die honigwabenartig angeordnet sind. Die Achsen der Mittellinie der Zellen I28
liegen in einer Ebene, welche durch die Achse der Thermometerkugel 20 hindurchgeht
und die senkrecht liegt zu der Grundfläche des Gehäuses. Die Achsen der äußeren
Reihen der Zellen I27 liegen in Ebenen, die parallel zu der Achse der mittleren
Reihe der Zellen liegen und die so angeordnet sind, daß die Thermometerkugel 20
in einen Teil ihrer Wandungen ragt. Die durch das Quecksilber gebildeten Menisken
bleiben in allen Lagen der Vorrichtung in stabilem Gleichgewicht. Ein Meniskus wird
an der Öffnung jeder Zelle gebildet und liefert so eine freiliegende Oberfläche
des Quecksilbers, um die Wärmeleitung von der Oberfläche, auf die die
Vorrichtung
aufgelegt wird, auf die Kugel des Thermometers zu übertragen. Bei der in den Fig.
3 und 4 dargestellten Ausführungsform besteht ein zylindrisches Zellengehäuse aus
Glas und ist in der Weise hergestellt, daß ein Quecksilberkörper 150 in einem etwa
kugel-oder birnenförmig gestalteten Raum sich befindet, an den sich ein geschlossenes
Kapillarrohr IgI anschließt.
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Dieser Quecksilberkörper I50 wird umgeben von Zellen 131, die jedoch
gegenüber dem Quecksilberkörper getrennt sind. Diese Zellen I3I besitzen kreisförmigen
Querschnitt und einen Durchmesser von etwa 2,5 mm und umgeben den Raum I50 in der
in Fig. 3 angegebenen Weise, wobei die inneren Wandungen der Zellen der Form des
Raumes I50 angepaßt sind. Eine weitere Zelle I32 ist in derselben senkrechten Achse
wie der Mittelpunkt des Quecksilberkörpers und des Kapillarrohres angebracht und
grenzt an die Wandung des Quecksilberraumes 150. Diese Zellen I3I, I32 sind in der
oben angegebenen Weise mit Quecksilber gefüllt, und die dabei e?tstehenden Menisken
des Quecksilbers bleiben in allen Lagen bestehen und bilden das Kontaktelement,
welches auf die Oberfläche aufgebracht wird, deren Temperatur gemessen werden soll.
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Das Kapillarrohr I5I ist derart kalibriert, daß die Wärmeausdehnung
des Quecksilbers in dem Raum 150 in Temperaturgraden in Fahrenheit oder Celsius
abgelesen werden kann. In der Praxis kann die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Form
aus einem geformten Gehäuse hergestellt sein, in das ein Kapillarrohr eingesiegelt
ist, welches dann kalibriert wird. Es können jedoch selbstverständlich auch andere
Herstellungsverfahren angewandt werden. Der in Fig. 5 dargestellte Aufbau weicht
nur insofern von demjenigen der Fig. 3 ab, als das Zellengehäuse I55 aus Stahl besteht
und dieses mit einem weiteren Deckgehäuse I56 aus Polystyrol belegt ist.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 6 dargestellt.
Diese besteht aus einem rohrförmigen Gehäuse 50 mit einer engen Bohrung von beispielsweise
etwa 2,9 mm Durchmesser. In das eine Ende sind die Leitungsdrähte 5 I einesüblichenThermoelements
dicht eingelassen, und zwar derart, daß die Schweißstelle 52 in das Rohr hineinragt.
Der Verschluß 53 ist vakuumdicht. Der übrige Teil des Rohres ist mit Quecksilber
gefüllt.
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Die in Fig. 7 dargestellte Ausführungsform ermöglicht die Verwendung
einer mit Quecksilber amalgamierten Schweißstelle eines Thermoelements. Hierbei
ist ein Block 100 zylindrisch ausgebohrt, so daß eine zylinderförmige Zelle I28
gebildet wird, deren geschlossenes Ende etwa kugelförmig ausgebildet ist. Das Innere
der Zelle I28 ist mit Stahl I55 ausgefüttert, so daß der endgültige Durchmesser
der mit Stahl ausgefütterten Zelle etwa 2,5 mm beträgt. An der Seite des Stahlfutters,
welches von der inneren Oberfläche abgewendet ist, ist die wärmeempfindliche Verbindung
eines Thermoelements 52 angeschweißt. Die Zelle wird dann mit Quecksilber gefüllt,
und der Meniskus des Quecksilbers bildet das Kontaktelement.
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Bei der Verwendung der beschriebenen Vorrichtungen werden die Gehäuse
21 oder ihre äquivalenten Teile für gewöhnlich durch eine Klemme oder Klammern,
welche mit Rollen versehen sind, mit der Oberfläche in Berührung gehalten, deren
Temperatur gemessen werden soll. Die Rollen und die Klemme sind derart ausgebildet,
daß die Vorrichtung mit den Quecksilbermenisken mit der Oberfläche in Berührung
gehalten wird, und das die Menisken umgebende Gehäuse 21 wird in einem gewissen
Abstand von der Oberfläche gehalten. Bei anderen Ausführungsformen der Vorrichtung
ist das die zu messende Oberfläche berührende Quecksilber selbst derart angeordnet,
daß es als die Temperatur anzeigendes Element dient, während bei einer einfachen
Ausführungsform der Erfindung, welche an der Unterseite eines sich bewegenden Materials
angebracht werden kann, das letztere über ein kleines Quecksilberbad geführt wird
und dabei mit der Oberfläche des Quecksilbers in Berührung gebracht wird, wobei
das Quecksilberbad ein geeignetes Wärmemeßinstrument enthält.
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Obwohl in den schematischen Zeichnungen dargestellt ist, daß die
Quecksilberzellen vollkommen mit Quecksilber gefüllt sind, kann in den geschlossenen
Enden dieser Zellen in der Praxis auch ein kleiner Zwischenraum zwischen dem Quecksilber
und dem Ende der Zelle bestehen, wobei dieser Zwischenraum ein Gas oder Dampf enthält,
das möglicherweise verdünnt ist und das vorteilhaft sein kann, indem es einen Pufferungseffekt
während des Betriebs der Vorrichtung bewirkt. In dem Falle, wo die Zellen von der
Thermometerkugel begrenzt werden, ist jedoch eine gute Quecksilberberührung mit
der letzteren erwünscht.
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PATENTANSPROCHE: I. Vorrichtung zur Messung der Temperatur einer
Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß eine freie Flüssigkeitsoberfläche gebildet
ist, welche die Oberfläche, deren Temperatur gemessen werden soll, berührt und wobei
der Flüssigkeitskörper dazu dient, die Wärme von dieser Oberfläche auf ein wärmeempfindliches
Element eines Wärmemeßgeräts zu übertragen.
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2. Vorrichtung zur Messung der Oberflächentemperatur eines festen
Stoffes, gekennzeichnet durch eine Wärmemeßvorrichtung und einen Behälter, der derart
ausgebildet ist, daß er sowohl das temperaturempfindliche Element der Einrichtung
aufnimmt und eine wärmeleitende Flüssigkeit, welche in guter Wärmeberührung mit
dem temperaturempfindlichen Element steht und die derart ausgebildet ist, daß sie
eine freie Oberfläche der Wärmeleitenden Flüssigkeit liefert, welche die Oberfläche
des Gegenstandes berührt, dessen Temperatur gemessen werden soll.