DE4244189A1 - Anlegetemperaturfühler - Google Patents

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.