DE69907493T2

DE69907493T2 - Oberflächentemperatursensor

Info

Publication number: DE69907493T2
Application number: DE69907493T
Authority: DE
Inventors: P. David CULBERTSON
Original assignee: Claud S Gordon Co
Current assignee: Watlow Electric Manufacturing Co
Priority date: 1998-10-09
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2004-03-18
Anticipated expiration: 2019-10-08
Also published as: EP1119749A1; WO2000022394A9; EP1119749B1; US6257758B1; WO2000022394A1; DE69907493D1; JP2002527733A; JP3583368B2; ATE239211T1

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Oberflächentemperatursensor und bezieht sich insbesondere auf einen Sensor mit einer wärmeleitenden Oberfläche, die von einem aufgewikkelten Temperaturabfühlelement getragen wird.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Oberflächentemperatursensoren sind aus dem Stand der Technik bekannt; Obertlächentemperatursensoren mit Kontakt sind ausgestaltet, um mit einer Oberfläche Berührung vorzusehen, um die Temperatur der Oberfläche zu messen. Zum Beispiel beschreibt das US-Patent Nr. 4,859,081 einen Typ von Oberflächentemperatursensor, der eine dünne Blattfeder mit einer Thermoelementlötstelle auf seinem Mittelabschnitt aufweist. Die Blattfeder ist an ihren beiden Enden an einem Stützteil befestigt, so daß die Blattfeder halbkreisförmig in Seitenansicht vorsteht, um einen Temperaturabfühlabschnitt zu bilden. Die Blattfeder und die Thermoelementlötstelle werden mit der zu messenden Oberfläche in Kontakt gebracht und werden gegen die Oberfläche gedrückt, um den halbkreisförmigen Abschnitt der Blattfeder leicht abzuflachen. Als Folge davon befinden sich die Blattfeder und die Thermoelementlötstelle eng in Druckkontakt mit der zu messenden Oberfläche.
Die GB-Anmeldung Nr. 932 260 (Pearce) betrifft eine andere Art von Oberflächentemperatursensor mit einem Thermoelementring, der von einer isolierten Scheibe getragen wird, die ihrerseits von einer Spule gehaltert wird, die aus einem der zwei Thermoelementmaterialien besteht. Der Sensor wird gegen eine zu messende Oberfläche gedrückt, wodurch der Thermoelementring direkten Kontakt zu der Oberfläche vorsieht. Die Anordnung mit dem Thermoelementring und der isolierten Scheibe ist für eine Bewegung in einer Richtung senkrecht zur Oberfläche wegen der Spule in der Lage. Die Bewegungsstrecke wird durch ein äußeres Gehäuse begrenzt, welches den Thermoelementring umgibt.
Eine andere Art von Oberflächentemperatursensor ist in der US-Patentschrift 4,454,370 (Voznick) offenbart, die ein Paar von nebeneinander angeordneten, länglichen Spulen zeigt, die an ihren Enden in Kontakt miteinander kommen, um eine Thermoelementlötstelle zu bilden. Der Oberflächentemperatursensor weist ferner eine Schutzhülse auf, die von einer Spule gehaltert wird, welche mit der zu messenden Oberfläche vor der Thermoelementlötstelle in Eingriff tritt, um einen sicheren Kontaktbetrag sicherzustellen und das Thermoelement dadurch gegen Beschädigung zu schützen. Wenn die Thermoelementlötstelle mit der Oberfläche in Kontakt ist, kann sie sich im Betrieb über ihre Sekundärspulen in einer Richtung senkrecht zu der Oberfläche bewegen, um mit der Oberfläche einen direkten Druckkontakt herzustellen.
Es gibt einige Nachteile, die mit den herkömmlichen Oberflächentemperatursensoren mit Kontakt, wie oben erwähnt, verbunden sind. Bei jedem der obigen Sensoren berührt die Thermoelementlötstelle direkt die zu messende Oberfläche. Wenn herkömmliche Überlappungsstöße für Thermoelemente verwendet werden, wobei eines der Thermoelementmaterialien das andere überlappt, um die Thermoelementlötstelle zu bilden, verhindert der Überlappungsstoß, daß die Lötstelle gleichmäßig die zu messende Oberfläche berührt, wodurch ein Meßfehler eingeführt wird. Wenn alternativ ein herkömmlicher stumpfer Stoß verwendet wird, um die Thermoelementlötstelle zu bilden, kann ein Spratzen bzw. Sprühen, Blitzen bzw. Spritzen usw. einen Zuwachs bzw. Anstieg an der Lötstelle erzeugen, oder eine Ungleichmäßigkeit, wie z. B. ein Grat, kann sich auf der Oberfläche bilden und verhindern, daß die Thermoelementlötstelle mit der zu messenden Oberfläche gleichmäßig in Eingriff kommt. Ein solcher direkter Kontakt der Thermoelementlötstelle mit der zu messenden Oberfläche führt zu einem erheblichen Wärmekontaktwiderstand. Jeder solcher Kontaktwiderstand liegt in Reihe mit einem anderen Wärmewiderstand und reduziert in unerwünschter Weise den Wärmeübergang zwischen der zu messenden Oberfläche und dem Sensor.
Ein anderer zu den herkömmlichen Oberflächentemperatursensoren gehörender Nachteil ist die Verwendung einer elektrisch isolierenden Schicht zwischen der Thermoelementlötstelle und der die Lötstelle haltenden Vorrichtung. Die Isolierschicht enthält, obgleich sie elektrisch isoliert, eine erhebliche thermische Masse und schafft dadurch eine thermische Belastung auf der Thermoelementlötstelle, wodurch sich ein Wärmemeßfehler und eine langsame Ansprechzeit ergibt, wodurch ein Kontakt mit der zu messenden Oberfläche eine unerwünscht lange Zeit aufrechtzuerhalten erforderlich wird, um eine genaue Wärmemessung sicherzustellen.
Ein weiterer Nachteil, der zu den herkömmlichen Oberflächentemperatursensoren mit Kontakt gehört, ist die übermäßige Wärmebelastung infolge des Bewegungsstops. Ein solcher bekannter Schutz weist halbkreisförmige Gehäusewände auf, welche die Thermoelementlötstelle im wesentlichen umgeben. Die Gehäusewände begrenzen den Abstand, um welchen sich die federnd elastische Thermoelementlötstelle verbiegen kann, wenn sie gegen eine große Oberfläche gedrückt wird. Die Gehäusewände kommen mit der zu messenden Oberfläche in Kontakt und können infolge der erheblichen thermischen Masse der Gehäusewände die Oberflächentemperatur verändern. Deshalb sind solche bekannten Geräte unerwünscht, denn die Gehäusewände können einen Meßfehler hervorrufen.
Die DE 42 17 389 A beschreibt einen Oberflächentemperatursensor mit einem thermisch leitenden Obertlächenkontaktteil und einer hohlen Spule, die ein Wärmeabfühlelement im Wärmekontakt mit dem Oberflächenkontaktteil enthält, wobei die Spule die Halterung für das Oberflächenkontaktteil vorsieht. An ihrem der zu messenden Oberflächen nahe liegenden Ende hat die Spule einen geraden, rohrförmigen Abschnitt, welcher durch das thermisch leitende Oberflächenkontaktteil geschlossen ist. Das Wärmeabfühlelement ist in dem geraden Abschnitt angeordnet, d. h. in einer Position, wo die starken Temperaturgradienten zwischen der Temperatur der zu messenden Oberfläche und der Temperatur der Spule entfernt von der Oberfläche auftreten können.
Die vorliegende Erfindung beabsichtigt die Schaffung eines robusten bzw. widerstandsfähigen Obertlächentemperatursensors, der Wärmeübergangsfehler reduziert und eine Miniaturisierung zur Verfügung stellt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Oberflächentemperatursensor mit Kontakt mit einem wärmeleitenden Oberflächenkontaktteil für das Kontaktieren einer zu messenden Oberfläche und mit einer Spule, die ein elektrisch isoliertes Wärmeabfühlelement in Wärmekontakt mit dem Oberflächenkontaktteil enthält und eine Stütze für das Oberflächenkontaktteil vorsieht, wobei ein wesentlicher Abschnitt der Spule in Wärmekontakt mit dem Oberflächenkontaktteil derart ist, daß das Wärmeabfühlelement im wesentlichen gegen einen Wärmegradienten längs der Spule isoliert ist, wodurch im wesentlichen ein Wärmeübertragungsfehler infolge Wärmenebenschluß ausgeschaltet wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf einen Oberflächentemperatursensor mit Kontakt zum Messen der Temperatur einer Oberfläche. Der Sensor weist ein thermisch leitendes Obertlächenkontaktteil auf, welches mit einer zu messenden Oberfläche in Eingriff kommt. Das Kontaktteil wird von einer Spule gehaltert, in der Wärmeabfühlelemente angeordnet sind, die eine Thermoelementlötstelle bilden. Der Sensor ermöglicht durch das Einbauen der Wärmeabfühlelemente in der Spule die Miniaturisierung des Sensors.
Die Verwendung des thermisch leitenden Kontaktteils dient dazu, die Thermoelementlötstelle schützen zu helfen und eliminiert die Notwendigkeit bekannter Schutzgehäuse, wodurch die Wärmebelastung des Sensors reduziert wird und damit zusammenhängende Meßfehler verringert werden. Da zusätzlich der Sensor nicht eine isolierende Scheibe einschließt, sondern stattdessen primär oder ganz von der Spule gehaltert wird, ist ein Meßfehler infolge thermischer Belastung und infolge eines Wärmeübergangs gegenüber dem Stand der Technik weiter reduziert.
Entsprechend einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das thermisch leitende Oberflächenkontaktteil längs seiner Bodenfläche mit einer Stufe bzw. einer Ausnehmung versehen, um den Eingriff der Spule mit dem Oberflächenkontaktteil zu erleichtern. Infolgedessen kann die Spule für eine verbesserte Robustheit an dem Kontaktteil angebracht sein. Zusätzlich verringert der allmähliche Ausgang der Spule aus dem Kontaktteil Wärmeübertragungsfehler infolge Wärmenebenschluß. Weil der Wärmenebenschluß eine Funktion des Wärmegradienten an dem Sensor ist, isoliert der allmähliche Ausgang der Spule den Wärmenebenschluß gegen die Thermoelementlötstelle dadurch, daß man den Wärmegradienten neben der Spule in einem Abstand von der Thermoelementlötstelle fort vorsieht.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung weist der Sensor einen Basisabschnitt auf, an welchem die Spule angebracht ist. Der Basisabschnitt weist ein Stützteil auf, um welches eine oder mehrere Windungen der Spule angebracht sein können, wobei eine zusätzliche Stütze für eine verbesserte Widerstandsfähigkeit und Dauerfestigkeit vorgesehen ist. Das Stützteil kann ferner ein Überlaufschutzteil aufweisen, welches sich von dem Stützteil zu dem Kontaktteil hin erstreckt. Das Überlaufschutzteil schützt in vorteilhafter Weise den Sensor selbst unter Umständen, wo ein kleiner Gegenstand oder eine Oberfläche gemessen werden soll, im Gegensatz zu bekannten Sensoren, die nur einen Schutz als Überlaufstop in Fällen vorsehen, wo das zu messende Objekt größer ist als der Sensordurchmesser.
Für die Gewährleistung des Vorstehenden und die damit zusammenhängenden Ziele weist die Erfindung die nachfolgend ausführlich beschriebenen Merkmale auf, die insbesondere in den Ansprüchen wiedergegeben sind. Die folgende Beschreibung und die anliegenden Zeichnungen zeigen im einzelnen gewisse Ausführungsformen der Erfindung. Diese Ausführungsformen stellen jedoch nur wenige der verschiedenen Wege dar, in welchen die Prinzipien der Erfindung verwendet werden können. Andere Gegenstände, Vorteile und neue Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung unter Berücksichtigung der beiliegenden Zeichnungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Seitenansicht eines Oberflächentemperatursensors der Art mit Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ist eine Draufsicht auf einen Bodenflächenabschnitt einer leitenden Scheibe gemäß der vorliegenden Erfindung; die 3a und 3b sind perspektivische Ansichten eines Bodenflächenabschnittes einer leitenden Scheibe mit einem gestuften Abschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung;
4a und 4b sind perspektivische Ansichten eines anderen Bodenflächenabschnittes einer leitenden Scheibe mit einem mit einer Ausnehmung versehenen Abschnitt gemäß der vorliegenden Erfindung;
5a–5c sind perspektivische Ansichten bzw. eine Seitenansicht unter Darstellung alternativer Kontaktverfahren zum Ankoppeln der Spule an das Oberflächenkontaktteil gemäß der vorliegenden Erfindung;
6a–6d sind abgeschnittene Seitenansichten unter Darstellung verschiedener Typen von Thermoelementlötstellen gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine perspektivische Seitenansicht eines anderen Temperatursensors mit Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine perspektivische Seitenansicht eines weiteren anderen Temperatursensors mit Kontakt gemäß der vorliegenden Erfindung; und
9 ist eine perspektivische Seitenansicht eines anderen Temperatursensors vom Kontakttyp.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Der Oberflächentemperatursensor der vorliegenden Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben, in denen gleiche Bezugszahlen durchweg gleiche Elemente beschreiben. Die vorliegende Erfindung richtet sich auf einen Oberflächentemperatursensor, der ein wärmeleitendes Kontaktteil aufweist, wie z. B. eine leitende Scheibe, die mit der zu messenden Oberfläche in Eingriff kommt. Der Sensor haltert das Kontaktteil mit einer Spule, die auch Wärmeabfühlelemente umgibt, wie z. B. Thermoelementdrähte, welche die Temperatur an dem Kontaktteil abfühlen. Die Verwendung der Spule als der primäre oder einzige Stützmechanismus erlaubt in vor teilhafter Weise eine Flexibilität bei der Handhabung des Kontaktteiles, um mit der zu messenden Oberfläche in Eingriff zu gelangen. Ferner erleichtert die Spule, die als der primäre Stützmechanismus wirkt, die Miniaturisierung des Sensors, wodurch die Anzahl der Anwendungen, bei welchen der Sensor benutzt werden kann, vergrößert wird.
Zusätzlich zu den vorstehenden Vorteilen mit der Spule als primärer Stütze für das Kontaktteil im Gegensatz zu bekannten Sensoren, die Isolierscheiben usw. eingebaut haben, wird eine erhebliche Verringerung bei Wärmeübergangsfehlern geschaffen, weil der Querschnittsbereich der Spule nicht erheblich ist, wodurch die Wärmebelastung minimiert wird. Weiterhin tritt die Spule allmählich aus einer Oberfläche des wärmeleitenden Kontaktteils aus, wodurch ein Wärmeübergangsfehler infolge des Wärmenebenschlusses erheblich eliminiert wird. Der allmähliche Austritt der Spule aus dem Kontaktteil führt dazu, daß ein erheblicher Abschnitt der Spule mit dem Kontaktteil in Wärmekontakt ist, wodurch die Thermoelementlötstelle gegen einen thermischen Gradienten längs der Spule (welcher den Wärmenebenschluß verursacht), isoliert ist. Folglich sorgt die vorliegende Erfindung für weitere Leistungssteigerungen gegenüber dem Stand der Technik.
Die die Wärmeabfühlelemente enthaltende Spule koppelt das Kontaktteil an einen Basisabschnitt, wodurch eine bauliche Halterung für die Spule geschaffen wird. Der Basisabschnitt weist vorzugsweise ein Stützteil auf, um welches herum ein Abschnitt der Spule (d. h. eine oder mehrere Windungen) in Eingriff steht, um eine zusätzliche bauliche Halterung für den Sensor vorzusehen. Ferner oder alternativ weist der Basisabschnitt ein Überlaufschutzteil auf, welches sich durch die konzentrische Spule hindurch zu dem Kontaktteil hin erstreckt. Das Überlaufschutzteil schafft für den Sensor und insbesondere die Spule einen Schutz dadurch, daß eine maximale Verbiegung eingestellt wird, über welche hinaus die Spule sich nicht zusammenzieht, wodurch die Spule daran gehindert wird, beschädigt zu werden.
Unter Bezugnahme auf 1 ist ein Oberflächentemperatursensor 10 vorgesehen. Der Oberflächentemperatursensor 10 weist einen Oberflächenkontaktabschnitt 12 und einen Basisabschnitt 14 auf. Der Oberflächenkontaktabschnitt 12 weist ein thermisch leitendes Kontaktteil 16, vorzugsweise eine Scheibe auf, die an einer Spule 18 mit Wärmeabfühlelementen 24 angekoppelt ist, wie z. B. Thermoelementdrähten, die in diesem vorgesehen sind. Die Spule 18 ist mit einer Bodenfläche 20 des Kontaktteils 16 verbunden. Der Kopplungsmechanismus, durch welchen die Spule 18 und das Kontaktteil 16 in Eingriff stehen, wird durch Verwendung z. B. eines wärmeleitenden Klebemittels erreicht, wie z. B. einem Klebstoff, Harz, "Puddy" oder einem Lot bzw. Lötmetall oder durch andere funktionell äquivalente Mittel, welche die Spule 18 und das Kontaktteil 16 in Wärmeverbindung miteinander bringen. Zum Beispiel kann die Spule 18 hartgelötet, verschweißt, mechanisch befestigt, gesickt bzw. gefältelt oder verkerbt sein, um den Eingriff mit dem Kontaktteil 16 zu bewirken. Jeder solcher Anbringmechanismus wird als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen. Zusätzlich kann das Kontaktteil 16, obwohl das thermisch leitende Kontaktteil 16 elektrisch leitend sein kann, alternativ elektrisch isolierend sein.
Der Basisabschnitt 14 weist beispielsweise einen Sensorhandgriff 23 auf, der an einem länglichen Teil angekoppelt ist, welches als eine Verbindungsfläche 22 dient. Eine Endwindung 25 der Spule 18 ist teilweise um die Verbindungsfläche 22 herum gewickelt und mit dieser verbunden, und der Durchmesser der Verbindungsfläche 22 ist vorzugsweise ähnlich dem Innendurchmesser der Spule 18, um einen sicheren Eingriff oder eine Reibpassung zwischen der Verbindungsfläche 22 und der Spule 18 zu erleichtern. Alternativ kann die Spule 18 über ein Loch in einem Flansch festgeklemmt werden oder kann in einen Schlitz usw. passen. Jeder Aufbau oder Mechanismus, durch welchen die Spule 18 an der Verbindungsfläche 22 befestigt wird, kann benutzt werden und wird als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen. Die Anschlußdrähte der Abfühlelemente 24 treten an einem Ende aus der Spule 18 aus und sind mit einer elektrischen Meßvorrichtung verbunden, wie z. B. einem (nicht gezeigten) Voltmeter oder dergleichen. Obwohl ein Handgriff 23 in 1 veranschaulicht ist, ist ein Handgriff 23 nicht notwendig, und es können verschiedene Halterungsaufbauten oder -mechanismen verwendet werden, von denen viele nicht für die Halterung von Hand gedacht sind. Jeder solcher Aufbau, welcher die Spule 18 ankoppelt und eine Halterung für die Spule 18 vorsieht, wird als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen.
Die anderen Anschlußleitungen der Spule 18 stellen am Ende der Spule 18 Kontakt miteinander her, um eine Thermoelementlötverbindung zu bilden, vorzugsweise in der Spule 18. Eine Temperatur der Oberfläche 26 des Gegenstandes wird dann dadurch gemessen, daß man das thermisch leitende Kontaktteil 16 gegen die Oberfläche 26 drückt, um mit der Oberfläche 26 in Wärmeeingriff zu kommen. Alternativ kann die Thermoelementlötverbindung eine freie Verbindung sein und außerhalb der Spule 18 vorhanden sein. In einem solchen Falle können die Thermoelementdrähte direkt miteinander verbunden sein, um die Thermoelementlötstelle zu bilden, oder alternativ, falls das Kontaktteil 16 elektrisch leitend ist, kann die Thermoelementlötverbindung über den elektrischen Kontakt durch das Kontaktteil 16 gebildet sein. Eine solche alternative Ausführungsform ist jedoch nicht die bevorzugte, denn ein solcher Aufbau isoliert den Wärmenebenschlußeffekt nicht vollständig gegen die Thermoelementlötstelle.
Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das Kontaktteil 16 (wie z. B. die in 1 veranschaulichte Scheibe) aus einem wärmeleitenden Material gebildet, z. B. einem Metall, wie z. B. Kupfer, Aluminium, Silber usw., einer Metallegierung oder einer Keramik, wie z. B. Aluminiumnitrid. Jedes wärmeleitende Material kann verwendet werden und gilt als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend. Die bevorzugte Gestaltung des Kontaktteils 16 ist zylindrisch, jedoch kann das Kontaktteil 16 andere Querschnittsformen haben, wie z. B. quadratisch, oval usw., je nach Wunsch, und jede Form des Kontaktteils 16 wird als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen.
Vorzugsweise ist die Höhe oder Dicke der Scheibe 16 erheblich kleiner als ihr Oberflächendurchmesser, um ihre thermische Masse zu minimieren. Eine obere Fläche 27 der Scheibe (die mit der zu messenden Oberfläche 26 in Kontakt kommt) ist vorzugsweise flach, gleichmäßig und glatt, um einen maximalen körperlichen und thermischen Kontakt zwischen den zwei Oberflächen sicherzustellen. Jedoch kann alternativ ein nicht ebenes Kontaktteil 16 verwendet werden, um mit einer nicht ebenen, zu messenden Oberfläche gegebenenfalls in Eingriff zu kommen. Zusätzlich ist die Oberfläche des Kontaktteils 16 vorzugsweise größer als die Thermoelementlötstelle in der Spule 18, um das Verhältnis von Wärmeeingang zu Wärmeausgang dadurch zu erhöhen, daß man die Wärme aus einer merklichen Fläche der zu messenden Oberfläche aufnimmt.
Gemäß der vorliegenden Erfindung schützt das Kontaktteil 16, auf dessen Bodenfläche 20 die Thermoelementlötverbindung gebildet ist, statt daß man direkt die Thermoelementlötverbindung mit der zu messenden Oberfläche 26 kontaktiert, die Thermoelementlötverbindung gegen Beschädigung und verbessert dadurch die Robustheit, Lebensdauer und Zuverlässigkeit des Oberflächentemperatursensors 10. Weil die Thermoelementlötverbindung die zu messende Oberfläche 26 nicht direkt berührt, sondern stattdessen ein thermisch hochleitendes Kontaktteil 16 berührt, welches die Oberfläche 26 berührt, ist außerdem der Sensor 10 weniger gegen einen Kontaktwiderstand empfindlich. Beim Stand der Technik verursachen kleine Veränderungen der Ausrichtungswinkel und der Geradheit des Thermoelementlötstellen-Bereiches große Veränderungen des Wärmekontaktwiderstandes und der Kontaktfläche zwischen der Thermoelementlötverbindung und der Oberfläche 26. Das Kontaktteil 16 der vorliegenden Erfindung fluchtet sich selbst mit der Oberfläche 26 und reduziert erheblich die Empfindlichkeit gegenüber einem Kontaktwiderstand im Verhältnis zum Stand der Technik, weil es thermisch hochleitend ist.
Die Spule 18 gemäß Darstellung in 1 kann aus zahlreichen elektrisch isolierenden Materialien zusammengesetzt sein. Ein beispielhaftes Material ist ein metallabgeschirmtes, mineralisoliertes (MSMI = Metal Sheathed Mineral Insulated) Kabel, wie z. B. XACTPAK^®, welches von der Firma Watlow Gordon hergestellt wird. Das MSMI-Kabel weist elektrisch isolierte Thermoelementdrähte auf, die zusammenverbunden sind, um eine heiße Lötstelle für das Messen der Oberflächentemperatur zu bilden. Die Thermoelementlötstelle ist vorzugsweise in dem MSMI-Kabel gebildet, welches die Spule 18 bildet, und ist an der Bodenfläche 20 des Kontaktteils 16 angekoppelt. Alternativ kann eine Leitung, Rohr oder Schlauch verwendet werden, in welchem isolierte Thermoelementdrähte eingeführt sind. Jedes derartige, isolierte Spulenmaterial oder Spulenaufbau kann verwendet werden und wird als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen. In jedem Falle ist die Spule 18 gebildet, um für eine gegebene Anwendung einen gewünschten Grad an federnder Elastizität vorzusehen.
Wie dem Fachmann im Stand der Technik bekannt ist, ergibt sich die federnde Elastizität (oder die Steifheit) der Spule 18 durch die Federkonstante der Spule, die zur Anzahl der Spulen umgekehrt proportional ist. Deshalb kann für ein gegebenes Spulenmaterial, wie z. B. das MSMI, die federnde Elastizität der Spule 18 durch Erhöhung der Spulenanzahl kundenspezifisch angepaßt sein. Alternativ oder zusätzlich kann die federnde Elastizität der Spule 18 dadurch kundenspezifisch angepaßt sein, daß man das Material verändert, welches verwendet wird, um die Spule 18 zu formen, oder alternativ kann der Spulendurchmesser oder der Durchmesser des MSMI-Kabels usw. verändert werden, um eine Anpassung an die Federelastizität der Spule vorzusehen. Die Außenumhüllung der Spule 18 ist vorzugsweise ein metallisches Material zur Unterstützung der federnden Elastizität der Spule, die leitenden Drähte darin sind jedoch elektrisch gegeneinander isoliert, und es kann jedes elektrisch isolierende Material in der Spule 18 verwendet werden, und ein solches Material wird als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen. Vorzugsweise ist die Spule 18 ausreichend federnd elastisch, um eine Selbstausrichtung des Kontaktteils 16 an die Oberfläche 26 leicht vorzusehen (d. h. durch Kippen des Kontaktteils oder der Scheibe 16 in bündigen Kontakt mit der zu messenden Oberfläche 26), um eine genaue Wärmemessung der Oberfläche 26 durchzuführen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Spule 18 gemäß Darstellung in 1 kreisförmig schraubenförmig. Alternativ kann die Spule 18 ganz verschieden geformt sein, z. B. eine quadratisch schraubenförmige Spule, eine dreieckig schraubenfärmige Spule oder eine Umkehrspule. Ferner kann jeder federnd elastisch vorgespannte Aufbau oder Mechanismus als Spule 18 verwendet werden, und ein solcher Aufbau wird als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen.
Die Wärmeabfühlelemente 24 (d. h. Thermoelementdrähte) sind vorzugsweise runde Drähte, können alternativ aber auch Bandmaterialien aufweisen, wie Materialien vom Typ K, E, J, N und T. Es versteht sich jedoch, daß andere Materialien und anderen Materialkonfigurationen auch verwendet werden können und jedes solches Wärmeabfühlmaterial kann verwendet werden und wird als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen.
Wir beziehen uns nun auf 2, nach welcher die Bodenfläche 20 der leitenden Scheibe 16 zusammen mit einem Abschnitt der letzten Windung der Spule 18 veranschaulicht ist, die mit der Scheibe 16 verbunden wird. Infolgedessen ist der Durchmesser der Scheibe 16 vorzugsweise von derselben Größe oder ist größer als der Durchmesser der Spule 18, um die Verbindung zu erleichtern. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung tritt die Spule 18 allmählich aus dem Kontaktteil 16 aus. Eine andere Art der Kennzeichnung ist es, zu sagen, daß ein erheblicher Abschnitt oder eine erhebliche Länge 28 der Spule 18 das Kontaktteil 16 berührt, bevor er bzw. sie von diesem getrennt ist. Durch dieses Merkmal wird erheblich ein Meßfehler wegen des Wärmeübergangs dadurch reduziert, daß die Thermoelementlötstelle gegen den Wärmenebenschlußeffekt isoliert ist, wie nachfolgend in größerer Einzelheit beschrieben wird. Der Wärmenebenschluß ist in zweierlei Hinsicht für die vorliegende Erfindung relevant. Erstens tritt ein Wärmenebenschluß im allgemeinen längs der Thermoelementdrähte in herkömmlichen Sensoren auf, welche die Thermoelementlötverbindung bilden. Weil sich die Drähte in typischer Weise auf einer Temperatur befinden, die sich von der zu messenden Oberfläche unterscheidet, tritt ein Wärmeübergang zu den Thermoelementdrähten oder von diesen fort über die Sensorspitze auf (je nachdem, wo eine höhere Temperatur herrscht, an den Drähten oder der zu messenden Oberfläche). Je nach der Geometrie des Sensors kann der Wärmeübergang nicht ermöglichen, daß die Sensorspitze die Temperatur der zu messenden Oberfläche erreicht, weshalb es zu einem Meßfehler kommt. Ein solcher Fehler kann erheblich sein, leicht bis zu 30% der Temperaturdifferenz oder des Gradienten zwischen der zu messenden Oberfläche und der Umgebungstemperatur. Wenn man zweitens eine Oberfläche mißt, die selbst eine kleine thermische Masse hat oder eine kleine thermische Leitfähigkeit, kann der Wärmenebenschlußeffekt in erheblicher Weise die Temperatur der zu messenden Oberfläche ändern.
Die vorliegende Erfindung isoliert den Wärmenebenschlußeffekt gegen die Thermoelementlötstelle dadurch, daß ein erheblicher Teil oder eine erhebliche Länge 28 der Spule 18 mit dem Kontaktteil 16 vor dem Austreten aus demselben in Kontakt ist. Infolgedessen befindet sich die Thermoelementlötstelle, die in der Spule 18 oder nahe einem Endpunkt oder Abschnitt 29a ist, um einen bemerkenswerten Abstand weg von einer Stelle 29b, bei welcher die Spule 18 aus dem Kontaktteil 16 austritt. Deshalb ist die Thermoelementlötstelle an der Stelle 29a auf der Temperatur des wärmeleitenden Kontaktteils 16, und der Temperaturgradient an der Stelle 29b längs der Spule 18 ist weg von der Thermoelementlötstelle oder der Spitze. Weil der Wärmeübergang infolge des Wärmenebenschlusses an der Stelle 29b erfolgt, welches eine erhebliche Länge 28 der Spule 18 ist, ist die Thermoelementlötverbindung wesentlich gegen den Wärmenebenschluß isoliert, und ein Wärmeübergangsfehler ist bemerkenswert reduziert.
Die Länge des Spulenabschnittes 28 kann je nach der Größe des Sensors 10 und seiner verschiedenen Komponenten variieren. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die Länge 28 ausreichend lang, um die Temperatur an der Thermoelementlötstelle im wesentlichen auf dieselbe Temperatur zu bringen wie das Kontaktteil 16. Infolgedessen beeinflußt der Gradient entlang der Spule 18 das Thermoelement in der Spule 18 nicht wesentlich, weshalb das Thermoelement gegen den Wärmenebenschlußeffekt erheblich isoliert ist.
Durch Verwendung einer Spulenfederkonfiguration gemäß Darstellung ist zusätzlich der Aufbau, welcher das Kontaktteil 16 berührt, nur die Spule 18. Weil die Querschnittsfläche der Spule 18 im wesentlichen klein ist, ist auch ihre thermische Masse und somit ihre Wärmebelastung klein, wodurch der Wärmenebenschluß weiterhin reduziert wird. Die Spule 18 stellt somit eine robuste Halterung für das Kontaktteil 18 zur Verfügung, während gleichzeitig eine kleine thermische Belastung gegeben ist.
Die 3a und 3b veranschaulichen ein Oberflächenkontaktteil 30 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kontaktteil 30 ist vorzugsweise eine wärmeleitende Scheibe, die eine Bodenfläche 32 der Scheibe 30 und einen gestuften Abschnitt 34 einschließt, wobei der gestufte Abschnitt 34 als Eingriffsfläche verwendet wird, um mit der Spule 18 der leitenden Scheibe 30 eine Verbindung zu schaffen. Gemäß Darstellung der 3b ist ein Abschnitt der Endwicklung der Spule 18 um den gestuften Abschnitt 34 herumgewickelt und an diesen angekoppelt. Der gestufte Abschnitt 34 hat vorzugsweise einen kleineren Durchmesser als die Scheibe 32, und die Dicke oder Höhe des gestuften Abschnittes 34 ist vorzugsweise mindestens gleich der Hälfte der Dicke der Spule 18. Wie oben diskutiert und in 3b veranschaulicht, befindet sich ein erheblicher Abschnitt der Spule 18 in Berührung mit dem gestuften Abschnitt 34, der eine Reduzierung des Meßfehlers infolge des Wärmeübergangs vorsieht.
Die 4a und 4b veranschaulichen ein weiteres anderes, beispielhaftes Oberflächenkontaktteil 40 gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Flächenkontaktteil 40 (d. h. eine wärmeleitende Scheibe) hat eine Bodenfläche 42 mit einem mit Ausnehmung versehenen Abschnitt 44, der als Eingriffsoberfläche in diesem gebildet ist. Der mit Ausnehmung versehene Abschnitt 44 hat vorzugsweise etwa die Größe des Durchmessers der Spule 18 und stellt die Befestigung der Spule 18 an dem Kontaktteil oder der Scheibe 40 sicher. Die Größe und Länge des mit der Ausnehmung versehenen Abschnittes 44 kann wunschgemäß variieren. Vorzugsweise ist jedoch die Länge des mit Ausnehmung versehenen Abschnittes 44 ausreichend groß, um einen merklichen Abschnitt der Spule 18 in der Ausnehmung unterbringen zu können, wodurch die Thermoelementlötstelle gegen den Wärmenebenschluß entsprechend den vorstehenden Ausführungen isoliert wird.
Wie oben in Verbindung mit den 3a–3b und 4a–4b veranschaulicht ist, kann die Kopplung zwischen der Spule 18 und dem thermisch leitenden Oberflächenkontaktteil 16 durch eine Vielzahl von Mitteln erreicht werden. Die 5a–5c veranschaulichen zusätzlich beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei welchen die Spule 18 an das Kontaktteil angekoppelt ist. Wie in 5a gezeigt ist, hat ein Oberflächenkontaktteil 30' einen gestuften bzw. abgesetzten Abschnitt 34', welcher dicker als der gestufte bzw. abgesetzte Abschnitt 34 der 3a und 3b ist. Einen dickeren abgestuften Abschnitt 34' zu haben, ist vorteilhaft, weil zusätzliche Wicklungen der Spule 18 an diesem angebracht werden können, wodurch weiter der Wärmenebenschlußeffekt reduziert wird und die Herstellung des Sensors 10 erleichtert wird, weil die Spule 18 nicht auf dem gestuften Abschnitt 34' mit ebensogroßer Präzision wie dem gestuften Abschnitt 34 angeordnet werden muß.
5b veranschaulicht eine andere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Oberflächenkontaktteil 16', welches eine weitere Miniaturisierung des Sensors 10 erleichtern kann. Das Kontaktteil 16' weist nicht einen gestuften Abschnitt auf und hat eine Gestalt und Größe, die mit einem Innendurchmesser der Spule 18 in Eingriff kommt. Schließlich veranschaulicht 5c ein Kontaktteil 16", welches weder gestuft noch mit einer Ausnehmung versehen ist, sondern stattdessen eine Länge der Spule 18 aufnimmt, die z. B. durch eine Hartlötstelle, einen Klebstoff, eine Befestigungseinrichtung usw. an dem Kontaktteil 16" angebracht ist.
Entsprechend der obigen Beschreibung ist die Thermoelementlötstelle vorzugsweise in der Spule 18, z. B. dem MSMI-Kabel, gebildet. Eine Vielzahl unterschiedlicher Thermoelementlötverbindungen und Thermoelementanordnungen können in der Spule 18 gebildet sein, und jede solche Anordnung wird als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen. Die 6a-6d veranschaulichen beispielhafte Thermoelementlötverbindungs-Anordungen gemäß der vorliegenden Erfindung. Ein Thermoelement 45 mit geerdeter Lötstelle ist in 6a dargestellt. Bei einer geerdeten Thermoelementlötstelle 45 ist eine Ummantelung 46 der Spule 18 angeschweißt oder sonst mit den Leitern 47 verbunden, um eine einstückige, abgedichtete Verbindungsstelle 45 zu bilden. In 6b ist eine nicht geerdete Lötstelle 48 von der Ummantelung 46 isoliert und wird oft bei Anwendungen benutzt, bei denen die Streuung EMF das Lesen der Temperatur beeinträchtigen kann. Zusätzlich können gemäß Darstellung in 6c ungeerdete Mehrfach-Thermoelementlötstellen 48a und 48b in der Ummantelung 46 verwendet werden, so daß die Spule 18 inhärente Redundanz vorsieht, die in zahlreichen Anwendungen wünschenswert oder erforderlich sein kann. Schließlich kann gemäß Darstellung in 6d eine duale, gängige Thermoelementlötstelle 49 vorgesehen sein, bei welcher die Leiter 47 entweder für geerdete oder ungeerdete Thermoelementanwendungen zusammengeschweißt sind.
7 zeigt einen Oberflächentemperatursensor 50 gemäß einer anderen, beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 50 ist im wesentlichen dem Sensor 10 der 1 ähnlich. Der Sensor 50 weist jedoch ein Stützteil 52 an dem Basisabschnitt 14 auf, wobei die Spule 18 ferner dadurch an dem Basisabschnitt 14 angebracht ist, daß verschiedene Endwicklungen um das Stützteil 52 herumgewickelt werden. Das Stützteil 52 sorgt für den Sensor 50 für Extrahalterung, Lebensdauer und Widerstandsfähigkeit, was bei verschiedenen Anwendungen wünschenswert sein kann, z. B. Umgebungen mit hoher Vibration mit der Notwendigkeit von Wärmemessungen, wie z. B. industriellen Maschinenanlagen. Andere Arten von zusätzlicher Anbringung oder Verankerungsmechanismen können alternativ verwendet werden, um die Spule 18 zu befestigen, und alle solche Einrichtungen werden als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen. Zum Beispiel kann das Stützteil 52 ein hohles Rohr sein, wobei der Außendurchmesser der Spule 18 mit einem Innendurchmesser des Rohres in Eingriff kommt, um eine Eingriffspassung zu bilden.
8 zeigt eine andere beispielhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei welcher ein Sensor 60 den Oberflächenkontaktabschnitt und den Basisabschnitt 14 einschließt. Der Basisabschnitt 14 weist den Sensorhandgriff 23 und das Stützteil 62 auf, welches ferner einen Kontaktbasisabschnitt 64 hat, der in ähnlicher Weise wie das Stützteil 52 der 5 arbeitet, und weist ein Überlaufschutzteil 66 auf. Das Überlaufschutzteil 66 ist vorzugsweise ein gestufter Abschnitt des Kontaktbasisabschnittes 64, der vorzugsweise einen kleineren Durchmesser hat als der Kontaktbasisabschnitt 64 und sich durch den konzentrischen, durch die Spule 18 gebildeten Bereich zu der wärmeleitfähigen Scheibe 16 hin erstreckt. Die Spule 18 ist mit dem Basisabschnitt 14 dadurch verbunden, daß einige der Endwindungen um den Kontaktbasisabschnitt 64 herumgewickelt sind. Die leitende Scheibe 16 wird körperlich von der Spule 18 gehalten, und das Überlaufschutzteil 66 verhindert eine Beschädigung der Spule 18, wie z. B. eine permanente Spulendeformation, durch Begrenzen des Kompressionsbereiches der Spule 18 auf den Abstand "d".
Ein anderer Oberflächentemperatursensor 70 ist in 9 gezeigt. Bei dem Sensor 70 ersetzt ein gespultes Stützelement 74 die Spule 18 der 1-8. Anders als die Spule 18 trägt das gespulte Stützelement 74 die thermischen Abfühlelemente nicht. Hierdurch ergibt sich für die weitere kundenorientierte Anpassung des gespulten Stützelementes 74 die Möglichkeit, die gewünschte Festigkeit und Biegsamkeit vorzusehen. Der Basisabschnitt 14 weist den Handgriff 23 und ein rohrförmiges Stützteil 72 auf, in welchem ein hohler Abschnitt 78 eingeschlossen ist. Der hohle Abschnitt 78 ist vorzugsweise zylindrisch und mit dem Handgriff 23 und dem rohrförmigen Stützteil 74 konzentrisch. Einerseits sind die Anschlußenden eines Paares von Abfühlelementen 76 an die leitende Scheibe 16 angekoppelt, während auf der anderen Seite in dem hohlen Zylinder 78 die Wärmeabfühlelemente 76 aus dem Bodenabschnitt des Sensors 70 austreten und vorzugsweise für eine Verbindung mit einer elektrischen (nicht gezeigten) Umformungsschaltung in den Handgriff 23 hineingehen. Alternativ kann das Element 76 des Sensors 70 aus einem einzigen Thermoelementdraht bestehen, während ein anderer Thermoelementdraht in der Spule 18 gebildet ist. Die vorliegende Erfindung ist oben bei einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden, wobei das Wärmeabfühlelement ein Sensor nach Art eines Thermoelementes ist. Alternativ können jedoch auch ande re Arten von Wärmeabfühleinrichtungen verwendet werden, die als in den Rahmen der vorliegenden Erfindung fallend angesehen werden. Zum Beispiel kann eine Temperaturwiderstandsvorrichtung (RTD = Resistive Temperature Device) oder ein Thermistor verwendet werden. Bei solchen alternativen Ausführungsformen können die Leitungsdrähte in der Spule 18 als Teil oder Bestandteil des Wärmeabfühlelementes angesehen werden.
Obwohl die Erfindung unter Bezug auf eine gewisse bevorzugte Ausführungsform oder Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, versteht es sich, daß äquivalente Änderungen und Modifikationen für den Fachmann nach dem Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der anliegenden Zeichnungen möglich sind. Insbesondere hinsichtlich der verschiedenen Funktionen, welche durch die oben beschriebenen Komponenten (Anordnungen, Vorrichtungen, Schaltungen usw.) durchgeführt werden, sollen die Begriffe (einschließlich der Bezugnahme auf ein "Mittel"), die verwendet sind, um solche Komponenten zu beschreiben, irgendeiner Komponente entsprechen, es sei denn, daß es anderweitig angezeigt wurde, wobei diese Komponente die spezielle Funktion der beschriebenen Komponente durchführt (d. h. die funktionell äquivalent ist), obwohl sie vom Aufbau her nicht der beschriebenen Struktur äquivalent ist, welche die Funktion bei den hier veranschaulichten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung durchführt. Während außerdem ein besonderes Merkmal der Erfindung bezüglich nur einer von verschiedenen Ausführungsformen beschrieben wurde, kann ein solches Merkmal mit einem oder mehreren anderen Merkmalen der anderen Ausführungsformen kombiniert werden, wie es für irgendeine gegebene oder besondere Anwendung wünschenswert und vorteilhaft sein kann.

Claims

Oberflächentemperatursensor mit einem Kontaktteil (16) mit wärmeleitender Oberfläche für das Kontaktieren einer thermisch zu messenden Oberfläche und mit einer Spule (18), die ein elektrisch isoliertes Wärmeabfühlelement (24) in Wärmekontakt mit dem Oberflächenkontaktteil enthält und eine Stütze für das Oberflächenkontaktteil vorsieht; dadurch gekennzeichnet, daß ein wesentlicher Abschnitt (28) der Spule (18) in Wärmekontakt mit dem Oberflächenkontaktteil (16) derart ist, daß das Wärmeabfühlelement (24) im wesentlichen gegen einen Wärmegradienten längs der Spule isoliert ist, wodurch im wesentlichen ein Wärmeübertragungsfehler infolge Wärmenebenschluß ausgeschaltet wird.
Oberflächentemperatursensor nach Anspruch 1, wobei das Wärmeabfühlelement (24) ein Paar von Thermoelementdrähten (47) aufweist, die eine Thermoelementlötstelle (45, 48) an einem Endabschnitt der Spule (18) bilden, die mit dem Kontaktteil (16) in Wärmekontakt steht.
Oberflächentemperatursensor nach Anspruch 2, wobei die Spule (18) die Thermoelementdrähte (47) trägt.
Oberflächentemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Oberflächenkontaktteil (16) eine wärmeleitende Scheibe aufweist.
Oberflächentemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spule (18) mit dem Oberflächenkontaktteil (16) mit einem wärmeleitenden Klebstoff, einer Schweißung, einer Hartlötverbindung oder einer Befestigungseinrichtung verbunden ist.
Oberflächentemperatursensor nach Anspruch 5, wobei der Klebstoff ein Klebemittel, ein Harz, „Puddy" oder Lötmetall aufweist.
Oberflächentemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Spule (18) zu dem Oberflächenkontaktteil (16) gesickt, gefältelt oder verkerbt ist.
Oberflächentemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Oberflächenkontaktteil (16) einen Bodenabschnitt (20) hat, der eine Eingriffsfläche für die Verbindung mit der Spule (18) hat.
Oberflächentemperatursensor nach Anspruch 8, wobei die Eingriffsfläche eine gestufte Oberfläche (34) auf dem Bodenabschnitt (32) oder eine Ausnehmung (44) in dem Bodenabschnitt (42) ist.
Oberflächentemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einem Stützteil (52, 62, 72), wobei ein anderes Ende der Spule (18) an dem Stützteil angebracht ist.
Oberflächentemperatursensor nach Anspruch 10, wobei eine oder mehrere Windungen der Spule (18) mit dem Stützteil (52, 62, 72) in Eingriff stehen.
Oberflächentemperatursensor nach Anspruch 10 oder Anspruch 11, ferner mit einem Überfahrschutzteil (66), das mit dem Stützteil (62) verbunden ist und sich zu dem Oberflächenkontaktteil (16) für den Schutz der Spule (18) gegen Beschädigung infolge Überfahren des Oberflächenkontaktteiles zu dem Stützteil hin erstreckt.
Oberflächentemperatursensor nach Anspruch 12, wobei das Überfahrschutzteil (66) sich zu dem Oberflächenkontaktteil (16) in einem konzentrischen Bereich erstreckt, welcher von der Spule (18) gebildet ist.
Oberflächentemperatursensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmeabfühlelement (24) einen Thermoelementsensor aufweist mit einer Anordnung, die eine geerdete Thermoelementlötstelle (45), eine ungeerdete Thermoelementlötstelle (48), ungeerdete Mehrfachthermoelementlötstellen (48a, 48b), gängige Mehrfachthermoelementlötstellen (49) oder eine freie Thermoelementlötstelle aufweist.