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Die Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Stabilisieren der Temperatur von mindestens einem
festen Teilstück länglicher Form, wie etwa ein Kabel,
ein Draht, ein Stab oder ein Profil, auf einen nahezu
konstanten und gleichförmigen Wert, während eines
Verfahrens zum Messen des elektrischen Widerstandes
oder des Leitungswiderstandes, bei welchem man die
Temperatur der Elemente, die sich in der Nachbarschaft
des Teilstückes oder in Kontakt mit diesem befinden
und die dessen unmittelbare Umgebung darstellen, auf
die an einem vorbestimmten Punkt der Oberfläche des
Teilstückes gemessene Temperatur einregelt, so daß man
eine maximale Unterdrückung jeglichen Wärmeaustausches
zwischen dem Teilstück und der äußeren Umgebung
erreicht.
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Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Vorrichtung zum
Stabilisieren der Temperatur von mindestens einem
festen Teilstück länglicher Form, wie etwa ein Kabel,
ein Draht, ein Stab oder ein Profil auf einen nahezu
konstanten und gleichförmigen Wert, während eines
Verfahrens zum Messen des elektrischen Widerstandes
oder des Leitungswiderstandes, wobei diese Vorrichtung
Einrichtungen aufweist, um die Temperatur der
Elemente, die sich in der Nachbarschaft des Teilstückes oder
in Kontakt mit diesem befinden und die dessen
unmittelbare Umgebung darstellen, auf die an einem
vorbestimmten Punkt der Oberfläche des Teilstückes
gemessene Temperatur einzuregeln, so daß man eine maximale
Unterdrückung jeglichen Wärmeaustausches zwischen dem
Teilstück und der äuperen Umgebung erreicht.
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Während das Messen der Temperatur bei einer
Flüssigkeit keine besondere Schwierigkeit bereitet, da sich
ein Meßfühler in diese Flüssigkeit eintauchen läßt,
kann die Messung der Temperatur eines Festkörpers
mittels eines Fühlers unsicher sein, wenn der
thermische Kontakt zwischen dem Fühler und der Oberfläche
des Festkörpers aus Gründen der Geometrie unsicher
ist. Die Güte der Messung ist somit durch den
Nebeneffekt der thermischen Kopplung an das Umgebungsmilieu
eingeschränkt, wobei ein Teil der zum Fühler
geleiteten Wärme durch Leitung an der Befestigungsvorrichtung
abfließt, weiterhin durch Abstrahlung der nicht in
Kontakt mit dem Festkörper befindlichen Fläche oder
durch Konvektion über die Umgebungsluft. Daraus folgt,
daß die Temperatur einen Gradienten und eine
Unstetigkeit zwischen dem Festkörper und dem Fühler aufweist.
Der Fehler, den man bei der Messung macht, ist
ungefähr proportional dem zwischen dem Festkörper und dem
Umgebungsmilieu bestehenden Temperaturunterschied.
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Eine weitere Konsequenz dieser Temperaturdifferenz ist
eine ungefähr exponentionelle Abnahme der Temperatur
über die Zeit. Ein erwärmter Festkörper, der einer
kälteren Umgebung ausgesetzt ist, kühlt über seine
Oberfläche ab und über seine Teile, die noch in
eventuellem Kontakt mit anderen kälteren Teilen sind.
Diese Erscheinung ist außerdem die Ursache eines
thermischen Gradienten im Inneren des Festkörpers.
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In dem besonderen Fall, wo man eine physikalische
Konstante messen will, deren Wert sich mit der Temperatur
ändert, wie z.B der spezifische Widerstand eines
Metalls oder der Widerstand pro Längeneinheit eines
Leiters, ist es erforderlich, daß sich das Probestück bei
der Messung auf einer homogenen und bekannten
Temperatur befindet.
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Im Labor kann man das Probestück in gewissen Fällen in
ein Flüssigkeitsbad bringen, dessen Temperatur die der
Probe annimmt. Die Korrektur der Widerstandsmessung
ist somit möglich für eine Bezugstemperatur, die von
der des Bades abweicht, wobei diese Korrektur sogar
automatisch über die Schaltung der Widerstandsmessung
erfolgen kann, wenn diese so ausgelegt ist, daß sie in
geeigneter Weise die von einem Sensor abgegebene und
in Form eines elektrischen Signals erfolgende
Information berücksichtigt. Im industriellen Bereich, also an
einer Fertigungsmaschine, bringt die Messung des
Widerstandes pro Längeneinheit an einem isolierten
Leiter, der im Inneren eines Energie führenden,
montierten und dicht gepackten Kabels liegt, gewisse
Schwierigkeiten mit sich, auf Grund der Tatsache, daß
der Leiter durch mechanische Deformation vorgewärmt
wurde.
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Das in dem Schweizer Patent CH-A-628 992 desselben
Anmelders beschriebene Verfahren und die Vorrichtung
zum Messen des Widerstandes eines Leiterstückes
basieren auf dem Prinzip der Steuerung der Temperatur
des umgebenden Raumes und/oder der in diesem
umgebenden Raum zirkulierenden und das Leiterstück
umgebenden Luft. Man hat festgestellt, dap diese
Steuerung ungenügend war und zu keinen absolut genauen und
zuverlässigen Messungen führte.
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Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 168 346
beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen
des elektrischen Widerstandes eines Leiters, von
welchem ein Stück über ein System von Zangen, welche die
Ummantelung durchdringen, elektrisch an eine Meßbrücke
angeschlossen ist. Den elektrischen Widerstand des
Leiters bestimmt man, bezogen auf die Längeneinheit in
Abhängigkeit der Temperatur.
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Die deutsche Patentanmeldung DE-A- 3 237 796
beschreibt ein Verfahren und eine sich mit hoher
Geschwindigkeit axial fortbewegende Vorrichtung zum
Messen der Oberflächentemperatur von Fasern, Bändern oder
Kabeln, wobei man einen an Rechenverstärker
gekoppelten Meßfühler verwendet.
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In einer Vorrichtung wie sie im Schweizer Patent Nr.
542 447 beschrieben ist, wirken die Zangen, mit denen
man das Kabel in seiner Lage hält und die auch zur
Stromrückführung dienen, als Strahler und zerstreuen
einen Teil der im Leiter enthaltenen Wärme, was zur
Folge hat, daß sich ein Längsgefälle der Temperatur
einstellt, die in der Zone, die den Bereich des zur
Messung vorgesehenen Abschnittes umgibt, wesentlich
höher ist.
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Die vorliegende Erfindung hat die Aufgabe, die
verschiedenen oben erwähnten Nachteile abzustellen, und
sie führt dank der Tatsache, daß die Temperatur des
Teilstückes bekannt und stabilisiert ist, zu einer
genauen Messung.
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Man löst die Aufgabe durch das erfindungsgemäße
Verfahren, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man
mittels
Temperaturfühlern unabhängig die Temperatur der
an das Teilstück des festen Körpers angrenzenden
Elemente mißt, daß man die von diesen Fühlern abgegebenen
Signale in Rechenverstärker eingibt, die jeweils mit
den Fühlern korrespondieren, daß diese
Rechenverstärker als gemeinsamen Einstellwert das Signal verwenden,
das ein, die Temperatur an der Oberfläche des
Teilstückes messender Fühler abgibt, und daß jeder dieser
Verstärker eine Einrichtung zum Erwärmen und/oder zum
Kühlen steuert, die in der Lage ist, das entsprechende
Element auf die an der Oberfläche des Teilstückes
gemessene Einstelltemperatur zu bringen und sie zu
halten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist dadurch
gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen aufweist, um mittels
Temperaturfühlern unabhängig die Temperatur der an das
Teilstück des festen Körpers angrenzenden Elemente zu
messen, Einrichtungen um die von diesen Fühlern
abgegebenen Signale in Rechenverstärker einzugeben, die
jeweils mit den Fühlern korrespondieren, wobei diese
Verstärker so eingerichtet sind, daß sie als
gemeinsamen Einstellwert das Signal verwenden, das ein die
Temperatur an der Oberfläche des Teilstückes messender
Fühler abgibt und daß jeder dieser Verstärker außerdem
dazu dient, eine Einrichtung zum Erwärmen und/oder
Kühlen zu steuern, die in der Lage ist, das
entsprechende Element auf die an der Oberfläche des
Teilstückes gemessene Einstelltemperatur zu bringen und
sie zu halten.
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Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist
nachstehend anhand von beigefügten Zeichnungen genauer
beschrieben.
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Es zeigt:
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Fig. 1 schematische Darstellung einer bevorzugten
Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung
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Fig. 2 Querschnitt durch die zwei, die thermische
Schutzhülle bildenden Schalen.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren ist die dargestellte
Meßvorrichtung so konzipiert, daß sie z.B. die Messung
des elektrischen Widerstandes oder des spezifischen
Widerstandes eines Leiters oder eines zum Transport
elektrischer Energie bestimmten isolierten Kabels
ermöglicht. Diese Vorrichtung ist mit einer
Wärmeschutzhülle 2 ausgestattet, die eine Oberschale 3 und eine
unterschale 4 aufweist, die vorzugsweise miteinander
gelenkig verbunden sind und zwischen ihnen einen
Längskanal freilassen, in dessen Innerem sich das
Kabelstück 1 bei der Messung befindet. Zwei Paar Zangen
5 und 6 sind beiderseits der Wärmeschutzhülle 2
vorgesehen, wobei diese Zangen dazu dienen, das Kabel
festzuhalten und gegebenenfalls für den elektrischen
Kontakt mit ihm zu sorgen.
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Ein erster Temperaturfühler 7 ist in Kontakt mit der
Außenseite des zu messenden Kabelstückes montiert und
ist mit einem Eingang eines Differentialverstärkers,
genannt Rechenverstärker 8, verbunden, an welchen er
eine der Referenztemperatur entsprechende Information
liefert, welche die an der Oberfläche des Kabelstückes
gemessene Temperatur ist. Ein zweiter Temperaturfühler
9 ist an der Wärmeschutzhülle 2 angeschlossen, z.B. an
die untere Schale 4 dieser Schutzhülle. Dieser Fühler
ist mit einem weiteren Eingang des Rechenverstärkers 8
verbunden. Eine Temperaturregelvorrichtung 10, nämlich
zur Heizung und/oder zur Kühlung, ist mit der
Wärmeschutzhülle 2 verbunden. Der Unterschied zwischen den
von den zwei Fühlern 7 und 9 gemessenen Temperaturen
gibt dem Rechenverstärker 8 die Möglichkeit, ein
Steuersignal an die Vorrichtung für die
Temperaturregelung 10 zu geben. Auf diese Weise steuert die
Vorrichtung die Temperatur der unter dem zu messenden
Kabeistück liegenden unteren Schale 4 auf die an der
Oberfläche des Kabelstückes gemessene Temperatur.
Diese Steuerung ist vorteilhafterweise von der Bauart
Proportional-Differential-Integrator.
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In ähnlicher Weise weist die Vorrichtung einen mit der
Oberschale 3 der Wärmeschutzhülle verbundenen dritten
Temperaturfühler 11 auf. Dieser Fühler ist mit dem
Eingang eines zweiten Differentialverstärkers 12
verbunden, dessen anderer Eingang mit dem in Kontakt mit
der Außenseite des zu messenden Kabelstückes
befindlichen Temperaturfühler 7 verbunden ist. Das
Ausgangssignal dieses zweiten Rechenverstärkers 12 steuert
eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperatur 13,
welche mit der Oberschale 3 der Schutzhülle verbunden
ist.
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Diese Ausführungsform ist sicher die vorteilhafteste,
obwohl man in einer vereinfachten Version die zwei
Temperaturfühler 9 und 11 durch einen einzigen Fühler,
die Rechenverstärker 8 und 12 durch einen einzigen
Verstärker und die Temperaturregelvorrichtungen 10 und
13 durch eine einzige, mit den zwei Schalen 3 und 4
der Wärmeschutzhülle 2 verbundene Vorrichtung ersetzen
könnte.
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In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
sind die für die Rückführung des Stromes zur Messung
des Widerstandes des Kabels 1 bestimmten
Kontaktzangenpaare 5 und 6 ebenfalls temperaturgeregelt. Hierzu
haben die Zangen 5 einen Temperaturfühler 14, der mit
einem Eingang eines Rechenverstärkers 15 verbunden
ist, dessen anderer Eingang mit dem oben erklärten
Temperaturfühler 7 verbunden ist und dessen Ausgang
man zum Steuern einer mit den Zangen 5 verbundenen
Vorrichtung zur Temperaturregelung 16 benutzt.
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Auf ähnliche Weise sind die Zangen 6 mit einem
Temperaturfühler 17 ausgestattet, der mit einem Eingang
eines Rechenverstärkers 18 verbunden ist, dessen
anderer Eingang mit dem Temperaturfühler 7 und dessen
Ausgang mit einer Vorrichtung zur Regelung der Temperatur
19 der Zangen 6 verbunden ist.
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Man sieht, daß man das Referenzsignal, das der, auf
der Oberfläche des in der Meßzone befindlichen
Kabelabschnitt 1 gemessenen Temperatur entspricht, und das
der Temperaturfühler 7 liefert, benutzt, um an den
verschiedenen Elementen, welche die unmittelbare
Umgebung darstellen oder die mit dem Teilstück in
Kontakt sind, alle Temperaturkorrekturen auszuführen. Die
gleiche Referenztemperatur kann man auch verwenden, um
die Korrektur der Widerstandsmessung auszuführen.
Jedenfalls kann man einen zweiten, direkt mit der
Außenfläche des zu messenden Kabelteilstückes in Kontakt
befindlichen Temperaturfühler 20 unabhängig vom ersten
Fühler 7 verwenden, um die Temperaturinformation an
eine (nicht dargestellte) Widerstandsmeßschaltung zu
geben, die als solche bekannt und z.B. in dem
amerikanischen Patent Nr. 3 863 148 beschrieben ist.
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Das gleiche Verfahren zur Kompensation des
Wärmeflusses kann man auch bei den mechanischen Halterungen der
verschiedenen Fühler anwenden.
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Wie oben erwähnt, ist es das Ziel, die Temperatur
aller Elemente, die mit dem festen Teilstück länglicher
Form, das dem Meßverfahren ausgesetzt ist, in Kontakt
kommen oder die dessen unmittelbare Umgebung bilden,
konstant zu halten, und zwar auf einem Wert, der so
nahe wie möglich bei der dieses Teilstückes liegt. Es
ist ganz klar, daß eine Steuerung nicht absolut
perfekt sein kann. Der geregelte Wert weicht immer etwas
vom Einstellwert ab. Wenn die Abweichung positiv ist,
zeigt die Temperatur des Systems eine langsame
Abweichung mit gleichen Vorzeichen, wobei die Umgebung ein
wenig Wärme an den zu messenden Festkörper abgibt.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform regelt man die
Verstärker so, daß man die Einstelltemperatur
verschiebt, und zwar ein wenig unter die an der
Oberfläche des Festkörpers gemessene Temperatur. Die
thermische Abweichung ist somit leicht negativ, wenn
man das System langfristig betrachtet, und dies in
annähernd exponentioneller Weise bei einer Temperatur,
die derjenigen der äußeren Umgebung etwa gleich ist.
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Die Temperaturfühler, sowie die Rechenverstärker sind
von herkömmlicher Bauart, wie man sie üblicherweise
auf dem Markt für elektronische Bestandteile anbietet.
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Die oben beschriebene, als Beispiel beschriebene
Vorrichtung kann man an verschiedene Spezialfälle
anpassen.
Wenn man z.B. den Festkörper nicht auf
gleichmässiger Temperatur halten kann, ließe sich der mit
seiner Außenfläche in Kontakt befindliche
Temperaturfühler durch mehrere Fühler ersetzen, die mehrere
Informationen liefern, deren Mittelwert man als
Ausgangsreferenzsignal nehmen könnte.
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Andererseits könnte man die Heizeinrichtungen durch
Kühleinrichtungen ersetzen, wenn die Temperatur des
Festkörpers unter derjenigen der unmittelbaren
Umgebung liegt. Eine Ausführungsvariante der Vorrichtung
sieht die Verwendung von Peltier-Elementen vor, welche
den Vorteil haben, daß sie sowohl die Erwärmung als
auch die Kühlung erlauben.
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Damit sich die Messungen schneller durchführen lassen,
kann man das Umhüllungssystem auf eine empirisch
bestimmte Temperatur vorwärmen oder vorkühlen, um von
vorneherein relativ nahe derjenigen zu sein, welche
der Festkörper während des Meßverfahrens haben wird.
Diesen Wert kann man im Anschluß an eine vorhergehende
Messung speichern, wenn eine neue Probe
voraussichtlich mindestens annähernd dieselbe Temperatur wie die
vorhergehende haben wird.
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Diese letzte Variante benutzt man vorteilhafterweise
in dem besonderen Fall, wo man die Vorrichtung zur
Messung der Temperatur eines aus einer
Fertigungsmaschine kommenden Leiters anwendet, dessen Widerstand
pro Längeneinheit, korrigiert um den
Temperatureinfluß, man messen will. In diesem Fall umfaßt die
Schaltung zum Messen des Widerstandes pro
Längeneinheit alle erforderlichen Elemente, um eine
automatische Kompensation dieser Messung in Funktion der
effektiv gemessenen Temperatur zu ermöglichen.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 2 setzt sich die Schutzhülle
2 vorteilhafterweise aus zwei Schalen 3 und 4
zusammen, die aus Aluminiumprofilen bestehen und mit Hilfe
von Scharnieren 30 gekoppelt sind. Diese Profile sind
so ausgelegt, daß sie einen zentralen Kanal umgrenzen,
in welchem man das zu messende Kabelstück
unterbringen kann, und daß man alle, während des Meßverfahrens
benutzten Fühlerhalter und Vorrichtungen zur Regelung
der Temperatur befestigen kann.
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Die beschriebene und dargestellte Ausführung ist nur
als Beispiel gegeben. Es ist ganz klar, daß alle
anderen Profilformen, welche dieselben Funktionen
erfüllen, im Rahmen der Erfindung ebenfalls verwendet
werden könnten.